KR100721497B1 - 폴디드 사냑 센서 어레이 - Google Patents
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Abstract
폴디드 사냑 광섬유 음향 센서 어레이(1200)는 사냑 간섭계와 유사한 방식으로 동작하지만 다운리드 광섬유에서의 분산 픽업을 감소시키도록 공통 지연 경로를 사용한다. 광섬유 음향 센서(716)는 수중에서 음파를 검출하는 데 사용된다. 마하젠더 간섭계 상의 어레이를 바이어싱하는 것이 아니라 사냑 간섭계와 유사한 동작 원리의 폴디드 사냑 센서 어레이를 바이어싱함으로써, 센서 어레이는 안정한 바이어스 포인트를 갖고, 감소된 위상 잡음을 가지며, 광대역 신호 소스가 보다 비싼 협선 레이저를 필요로 하지 않으면서 사용 가능하게 한다. 다수의 음향 센서들(718(N))은 폴디드 사냑 광섬유 음향 어레이의 구조로 다중화될 수 있다.
바이어스, 광섬유, 마하젠더 간섭계, 음향 센서, 어레이
Description
본 발명은 광 음향 센서 어레이 분야에 관한 것이며, 여기서 광은 어레이들 내에서 전파되고 어레이로부터 돌아오는 광에 대한 음향 신호의 효과가 분석되어 음향 신호의 특성을 판정한다.
광섬유 기반 음향 센서는 종래의 전자 센서에 대한 유망한 대안이다. 그 장점은 고감도, 큰 동적 범위, 광 웨이트(light weight), 및 콤팩트한 크기를 포함한다. 다수의 광섬유 센서를 공통 버스로 쉽게 다중화하는 능력은 광섬유 센서를 대규모 배열에 적합하게 한다. 다중 소 이득 어븀 도핑 광섬유 증폭기들(EDFA들)의 광섬유 어레이로의 최근의 성공적인 합체를 통해 단일 광섬유 쌍에 의해 지원될 수 있는 센서의 수를 증가시키는 것은 보다 경쟁적으로 대규모 광섬유 센서 어레이를 제작하게 하였다.
음향 검출을 위한 광섬유 선택은 마하젠더 간섭계 센서(Mach-Zehnder interferometric sensor)였다. 임의의 간섭계 센서에서, 위상 변조는 상승된 코사인 함수를 통해 세기 변조(intensity)로 맵핑된다. 이러한 비선형 전달 함수로 인해, 사인곡선 위상 변조가 보다 높은 차수의 고조파를 생성할 것이다. 직각에서의 간섭계(위상이 π/2다른 간섭 빔)는 제1차 고조파에서 최대 응답을 갖고 제2차 고 조파에서 최소 응답을 갖는다. 이 때문에, 직각은 양호한 바이어스 포인트이다. 이 바이어스 포인트가 (예를 들어, 외부 온도 변화로 인해) 직각으로부터 멀리 벗어남에 따라, 제1차 고조파에서의 응답은 감소하고 제2차 고조파에서의 응답은 증가한다. 간섭계가 위상이 0 또는 π 다르게 바이어싱될 때, 제1차 고조파는 완전히 사라진다. 이러한 (직각으로부터 먼 바이어스 지점들로부터 발생된) 제1차 고조파에서의 감소된 응답은 신호 페이딩(signal fading)으로 불린다.
마하젠더 간섭계 센서는 불안정한 바이어스 포인트를 가지기 때문에, 이들은 특히 방금 언급한 신호 페이딩 문제점에 특히 영향을 받기 쉽다. 신호 페이딩을 극복하기 위해서는, 복귀 신호의 복조가 요구된다. 전형적인 복조 기술은 경로 불일치 마하젠더 간섭계 센서를 필요로 하는 Phased-Generated Carrier(PGC) 기법이다. (예를 들어, Arthony Dandridge, et al., Multiplexing of Interferometric Sensors Using Phase Carrier Techniques, Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-5, No. 7, July 1987, pp. 947-952 참조.) 이러한 경로 불균형은 또한 레이저 위상 잡음의 세기 잡음으로의 변환을 발생시켜, 저 주파수에서의 마하젠더 간섭계 센서 어레이의 성능을 제한하며 소스의 선폭에 엄격한 요구도를 갖게 된다. 이러한 좁은 선폭 요구도는 1.55 ㎛에서의 증폭된 마하젠더 간섭계 센서 어레이의 개발을 더디게 하였다.
사냑 간섭계는 광섬유 자이로스코프에서 폭넓게 사용되는 것으로 알려졌다. (예를 들어, B. Culshaw, et al., Fibre optic gyroscopes, Joumal of Physics E (Scientific Instruments), Vol. 16, No. 1, 1983, pp. 5-15 참조.) 사냑 간섭계 는 음향파를 검출하는 데 사용될 수 있는 것으로 제안되어 왔다. (예를 들어, E. Udd, Fiber-optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol. 425, 1983, pp. 90-91; Kjell Krakenes, et al. Sagnac Interometer for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol 14, No. 20, October 15, 1989, pp. 1152-1145; and Sverre Knudsen, et al., An 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 참조.) 그 공통 경로 설계로 인해, 사냑 간섭계는 상호적이며 따라서 안정한 바이어스 포인트를 갖게 되어, 신호 페이딩을 제거하고 소스 위상 잡음의 세기 잡음으로의 변환을 방지한다. 그러므로, 사냑 간섭계는 마하젠더 간섭계 센서를 저 주파수로 제한하는 위상 잡음이 방지된다.
본 발명의 한 형태는 광 펄스의 소스, 제1 결합기, 편광 종속 제2 결합기, 광 지연 경로, 및 적어도 하나의 검출기를 포함하는 음향 센서이다. 제1 결합기는 광 펄스를 제1 광학적 길이를 갖는 제1 광 경로 및 센서의 어레이에 결합시킨다. 센서들의 어레이는 적어도 하나의 제1 센서를 포함한다. 제1 센서는 제1 광학적 길이와 다른 제2 광학적 길이를 갖는 제2 광 경로 내에 있다. 편광 종속 제2 결합기는 제1 편광에서 제1 광 경로로부터 수신된 광 펄스를 광 지연 경로에 결합시키고 제2 편광에서 어레이로부터 수신된 광 펄스를 광 지연 경로에 결합시킨다. 제1 편광에서 광 지연 경로에 결합된 광 펄스는 광 지연 경로로부터 제2 편광에서 제2 결합기로 복귀한다. 제2 편광에서 광 지연 경로에 결합된 광 펄스는 광 지연 경로로부터 제1 편광에서 제2 결합기로 복귀한다. 제2 결합기는 제1 편광에서 광 지연 경로로부터 제2 결합기로 복귀하는 광 펄스를 제1 편광에서 제1 광 경로로 결합시켜 그 내부에서 제1 결합기로 전파한다. 제2 결합기는 제2 편광에서 광 지연 경로로부터 제2 결합기로 복귀하는 광 펄스를 어레이로 결합시켜 그 내부에서 제1 결합기로 전파한다. 제1 결합기는 제1 광 경로로부터의 광 펄스와 어레이로부터의 광 펄스를 합성하여 간섭하는 제1 광 경로 및 어레이를 통해 동일한 거리를 이동하는 광 펄스를 발생시키고 검출 가능한 출력 신호를 생성한다. 이 검출 가능한 출력 신호는 제1 센서 상에 닿는 음향 에너지에 응답하여 변한다. 검출기는 검출 가능한 출력 신호를 검출하여 제1 결합기로부터의 검출 가능한 출력 신호의 변화에 응답하는 검출기 출력 신호를 생성한다. 양호하게 어레이는 제2 센서를 포함한다. 제2 센서는 제1 광학적 길이 및 제2 광학적 길이와 다른 제3 광학적 길이를 갖는 제3 광 경로 내에 있다. 또한, 양호하게 편광 종속 제2 결합기는 편광 빔 스플리터를 포함한다. 양호한 실시예에서, 광학적 지연 경로는 일정 길이의 광 도파관과 편광 종속 회전 반사기를 포함한다. 반사기는 제1 편광에서 반사기 상에 입사되는 광이 제2 편광으로의 광으로서 반사되도록 하며, 제2 편광에서 반사기 상에 입사되는 광이 제1 편광으로의 광으로서 반사되도록 한다. 반사기는 유익하게 패러데이 회전 미러를 포함한다. 특히 양호한 실시예에서, 제1 광 경로는 제1 편광에서 제1 광 경로를 통해 전파하는 광 및 제2 편광에서 제1 광 경로를 통해 전파하는 광이 관련된 위상 시프트를 겪도록 하여, 제1 결합기에서 합성된 광이 위상 바이어스를 갖도록 하는 비가역적 위상 시프터를 포함한다. 양호하게, 이러한 실시예에서, 제3 광 경로는 제1 광 경로와 평행하게 위치한다. 제1 광 경로와 제3 광 경로 중 하나는 광학적 지연을 포함하여 제1 광 경로가 제3 광 경로의 광 경로 길이와 다른 광 경로 길이를 갖도록 함으로써, 제1 광 경로를 통해 전파하는 광이 제2 광 경로를 통해 전파하는 광의 전파 시간과 다른 전파 시간을 갖게 하여 광 펄스를 시간 다중화한다. 양호하게, 비가역적 위상 시프터는 제1 패러데이 회전자, 쿼터-웨이브 플레이트 및 제2 패러데이 회전자를 포함한다. 1/4 파장판 및 제2 패러데이 회전자는 제1 편광에서 전파하는 광이 제1 패러데이 회전자, 다음에 1/4 파장판, 다음에 제2 패러데이 회전자를 통과하도록 하며, 제2 편광에서 전파하는 광이 제2 패러데이 회전자, 다음에 1/4 파장판, 다음에 제1 패러데이 회전자를 통과하도록 배치된다. 다르게, 비가역적 위상 시프터는 제1 1/4 파장판, 패러데이 회전자, 및 제2 1/4 파장판을 포함한다. 제1 1/4 파장판, 패러데이 회전자, 및 제2 1/4 파장판은 제1 편광에서 전파하는 광이 제1 1/4 파장판, 다음에 패러데이 회전자, 다음에 제2 1/4 파장판을 통과하도록 하며, 제2 방향에서 전파하는 광이 제2 1/4 파장판, 다음에 패러데이 회전자, 다음에 제1 1/4 파장판을 통과하도록 배치된다.
본 발명의 다른 형태는 입력 광 펄스의 소스, 및 광 센서 어레이, 광 지연 경로, 광 검출 시스템, 및 입력/출력 시스템을 포함하는 음향 센서이다. 입력/출력 시스템은 입력 광 펄스를 수신하여 제1 편광에서의 광 센서 어레이, 다음에 광 지연 경로를 통해 제1 편광을 갖는 각각의 광 펄스의 제1 부분을 광 검출 시스템으 로 향하게 한다. 입력/출력 시스템은 제1 편광에 직각인 제2 편광에서 각각의 광 펄스의 제2 부분을 광 지연 경로, 다음에 제2 편광에서의 광 센서 어레이를 통해 광 검출 시스템으로 향하게 한다. 광 검출 시스템은 제1 및 제2 편광에서 광 펄스를 수신하여 광 센서에서의 섭동에 의해 발생되는 광 펄스의 변화를 검출한다.
본 발명의 다른 형태는 음향 신호를 검출하는 방법이다. 이 방법은 입력 광 신호를 생성하고 이 입력 광 신호를 적어도 제1 및 제2 전파 경로로 결합시켜 각각의 제1 편광에서 전파한다. 제1 및 제2 전파 경로는 각각 제1 및 제2 광학적 길이를 갖는다. 제1 및 제2 전파 경로는 각각의 제1 및 제2 출력 광 부분을 출력한다. 제1 및 제2 출력 광 부분은 제1 및 제2 광 경로 길이에서의 차이에 따라 다른 시간에서 제1 및 제2 전파 경로로부터 출력된다. 제2 출력 광 부분은 제2 전파 경로에 닿는 음향 신호에 의해 변조된다. 제1 광 부분은 제1 편광에서 지연 경로에 결합되며, 제2 광 부분은 제2 편광에서 지연 경로에 결합된다. 지연 경로는 제1 출력 광 부분에 대응하는 제1 지연 광 부분을 출력한다. 제1 지연 광 부분은 제2 편광을 갖는다. 지연 경로는 제2 출력 광 부분에 대응하는 제2 지연 광 부분을 출력한다. 제2 지연 광 부분은 제1 편광을 갖는다. 제1 및 제2 지연 광 부분은 제1 및 제2 전파 경로에 결합되어 각각의 제1 편광과 반대인 각각의 제2 편광으로 전파한다. 제1 전파 경로는 제1 세트의 복귀 광 부분을 출력한다. 제1 세트의 복귀 광 부분은 제1 및 제2 지연 광 부분들 각각에 대한 각각의 복귀 광 부분을 포함한다. 제2 전파 경로는 제2 세트의 복귀 광 부분을 출력한다. 제2 세트의 복귀 광 부분은 제1 및 제2 지연 광 부분 각각에 대한 각각의 복귀 광 부분을 포함한다. 제1 및 제2 세트의 복귀 광 부분은 적어도 하나의 검출기에 결합된다. 제1 및 제2 세트의 복귀 광 부분 내의 복귀 광 부분은 동일한 광 경로 길이를 이동 및 간섭하여 검출 가능한 출력 신호를 생성하는 출력 광 부분 및 지연 광 부분을 발생시킨다. 이 방법은 선택적으로 검출 가능한 출력 신호를 검출하여 제1 편광과 제2 편광 중 어느 한 편광에서의 제1 전파 경로로 전파되었던 간섭 광 부분으로부터 발생한 출력 신호만을 검출한다. 검출 가능한 출력 신호는 제2 전파 경로에 닿은 음향 신호에 응답하여 변화한다.
본 발명의 다른 형태는 광 소스 및 광을 공통 경로와 센싱 어레이에 결합시켜 그 내부에서 각각의 제1 편광으로 전파하는 제1 결합기를 포함하는 센서이다. 센싱 어레이는 복수의 센싱 경로를 포함한다. 편광 종속 제2 결합기는 공통 경로 및 센싱 어레이로부터의 광을 지연 경로로 결합시킨다. 제2 결합기는 공통 경로로부터의 제1 편광에서의 광만을 지연 경로에 결합시킨다. 제2 결합기는 센싱 어레이로부터의 제2 편광에서의 광만을 지연 경로에 결합시킨다. 지연 경로는 제1 편광에서의 광을 제2 편광으로 회전시키고 제2 편광에서의 광을 제1 편광으로 회전시킨다. 또한, 제2 결합기는 제1 편광에서의 지연 경로로부터의 광을 공통 경로에 결합시키고 제2 편광에서의 지연 경로로부터의 광을 센싱 어레이에 결합시켜 그 내부의 제2 편광에서 제1 결합기로 전파한다. 제1 결합기는 각각의 제2 편광에서 전파하는 광에 응답하여 출력 광을 제공한다. 검출기는 제1 결합기로부터 출력 광을 수신하고 제1 결합기 내의 광의 간섭에 응답하여 출력 광을 생성한다. 양호하게, 지연 경로는 일정 길이의 광섬유 및 편향 회전 반사기를 포함한다. 광섬유의 길이 는 광 지연 시간을 제공하도록 선택된다. 반사기는 광을 광섬유로 반사하여 광섬유를 통해 제2 결합기로 전파시킨다. 또한, 반사기는 제1 편광에서 입사되는 광을 제2 편광으로 회전시키고 제2 편광에서 입사되는 광을 제1 편광으로 회전시킨다. 양호하게, 반사기는 패러데이 회전 미러를 포함한다. 또한, 양호하게 편광 종속 제2 결합기는 지연 경로가 편광 빔 스플리터의 한 부분으로부터 광을 수신하여 광을 편광 빔 스플리터의 상기 부분으로 복귀시키도록 배치된 편광 빔 스플리터를 포함한다.
본 발명은 첨부된 도면들과 함께 다음에서 설명될 것이다.
도 1은 단일 센싱 루프를 갖는 예시적인 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 다른 사냑 센서 어레이를 도시하고 있으며 여기서 센서 어레이의 각각의 가로대(rung)는 추가적인 사냑 간섭계를 형성한다.
도 3은 어븀 도핑 광섬유 증폭기를 포함하여 결합 및 분산 손실로 상실된 신호 전력을 재생하는 사냑 센서 어레이를 도시하고 있다.
도 4는 3개의 지배적인 해저 잡음과 비교되는 본 발명에 따른 사냑 간섭계의 주파수 응답의 그래프를 도시하고 있다.
도 5는 마하젠더 간섭계 및 본 발명에 따른 사냑 간섭계에 의해 검출 가능한 최대 및 최소 음향 신호의 그래프를 도시하고 있으며, 넓은 범위의 주파수에 걸쳐 사냑 간섭계의 비교적 일정한 동적 범위를 도시하고 있다.
도 6은 하이드로폰(hydrophone) 내에 상이한 길이의 광섬유 및 지연 루프를 갖는 3개의 사냑 간섭계 구성에 대한 최소 검출 가능 신호 대 주파수의 그래프를 도시하고 있다.
도 7은 추가 지연 루프를 포함하여 간섭계의 동적 범위를 증가시키는 본 발명에 따른 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 8은 도 7의 간섭계에 의해 제공되는 동적 범위의 그래프를 도시하고 있다.
도 9A는 센서 어레이 시스템의 물에 잠기지 않는 단부(dry end)에서의 간섭계의 지연 루프의 배치를 도시하고 있다.
도 9B는 센서 어레이 시스템의 물에 잠기는 단부(wet end)에서의 간섭계의 지연 루프의 배치를 도시하고 있다.
도 10은 위상 변조 효과의 계산에 사용되는 길이를 도시한 주석을 사용하여 도 9B의 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 11은 지연 루프 상의 음향파의 효과를 감소시키도록 지연 루프를 감기 위한 기술을 도시하고 있다.
도 12는 센서에 의해 생성되는 신호로부터 차감될 수 있는 분산된 픽업 잡음을 검출하는 비어 있는 가로대를 포함하는 본 발명에 따른 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 13은 편광 종속 유도 페이딩의 효과를 감소시키도록 편광 해제기(depolarizer)를 포함하는 본 발명에 따른 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 14는 주파수 분할 다중화를 사용하는 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 15는 도 14의 간섭계에서 지연 변조 신호와 복귀 센서 신호 사이의 비트 신호(beat signals)의 생성을 나타낸 그래프를 도시하고 있다.
도 16은 코드 분할 다중화를 사용한 사냑 간섭계를 도시하고 있다.
도 17은 폴디드 사냑 음향 광섬유 센서 어레이의 구조를 도시하고 있다.
도 18은 시간 간격 당 복귀된 펄스의 수 그래프를 도시하고 있으며, 신호 펄스 및 잡음 펄스의 시간의 분리를 나타낸다.
도 19는 확장된 동적 범위를 제공하도록 제2 지연 루프를 갖는 폴디드 사냑 음향 광섬유 센서 어레이를 도시하고 있다.
도 20은 도 17의 반사기 대신에 위상 변조기 및 널링 회로(nulling circuitry)를 갖는 폴디드 사냑 음향 광섬유 센서 어레이를 도시하고 있다.
도 21은 2개의 지연 루프가 결합기의 다른 포트들에 접속된 도 19의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 22는 패러데이 회전 미러를 사용한 광섬유 음향 센서 어레이 시스템의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 23A, 도 23B, 및 도 23C는 편광 해제기, 편광 빔 스플리터, 및 패러데이 회전 미러와 조합된 편광되지 않은 광 소스를 사용한 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 24는 광 서큘레이터, 2x2 결합기, 및 비가역적 위상 시프터와 조합된 편광되지 않은 광 소스를 사용한 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 25는 편광 해제기가 제2 어레이 입력/출력 광섬유에 배치된 도 24와 유사한 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 26은 제1 편광에서 위상 시프터를 통해 전파하는 광의 편광에 대한 효과를 도시한 도 24 및 도 25에서의 비가역적 π/2 위상 시프터의 양호한 실시예를 도시하고 있다.
도 27은 도 26의 위상 시프터를 통해 제2(반대) 편광에서 전파하는 광의 편광에 대한 효과를 도시하고 있다.
도 28은 위상 시프터를 통해 제1 편광에서 전파하는 광의 편광에 대한 효과를 도시하는 도 24 및 도 25의 비가역적 π/2 위상 시프터의 다른 양호한 실시예를 도시하고 있다.
도 29는 도 28의 위상 시프터를 통해 제2(반대) 편광에서 전파하는 광의 편광에 대한 효과를 도시하고 있다.
도 30은 다수의 검출기에 대해 편광계 바이어싱을 사용하는 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 각각의 검출기는 다른 검출기들의 바이어스 포인트에 독립적으로 설정될 수 있는 바이어스 포인트를 갖는다.
도 31은 편광 해제기가 제2 어레이 입력/출력 광섬유 내에 위치한 도 30과 유사한 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 32는 광 서큘레이터가 2x2 결합기를 대체하는 도 30과 유사한 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 33은 편광 해제기가 제2 어레이 입력/출력 광섬유 내에 위치한 도 32의 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 34는 조합된 입력/출력 서브시스템을 포함하는 폴디드 사냑 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 35는 편광 해제기가 제2 어레이 입력/출력 광섬유 내에 위치한 도 34와 유사한 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
도 36은 검출기가 광섬유에 의해 입력/출력 서브시스템에 결합되어 검출기가 원격 배치된 도 34 및 도 35와 유사한 폴디드 광섬유 음향 센서 어레이의 다른 실시예를 도시하고 있다.
본 발명이 사냑 루프 내에 음향 센서(예를 들어, 하이드로폰)의 어레이와 함께 다음에서 설명된다. 양호한 실시예들을 설명하기 전에, 단일 루프 사냑 음향 센서의 동작에 대해 간단히 재검토할 것이다.
단일 루프 사냑 음향 센서
단일 사냑계 음향 센서(100)가 도 1에 도시되어 있다. 사냑 루프는 2부분, 즉 지연 루프(102)와 하이드로폰(104)으로 분할된다. 지연 루프(102)는 간단히 긴 길이, 전형적으로 1 km 이상의 광섬유이다. 하이드로폰(104)은 음향파가 광섬유를 통해 전하는 광 신호의 위상 변조로 변환되는 광섬유의 한 부분이다. 음향파에 대한 높은 응답성(responsivity)은 전형적으로 하이드로폰(104)의 선택을 위해 최적화된 코팅을 선택하여 적절한 조성의 주축(mandrel) 주위에 광섬유로 둘러쌈으로써 이루어진다. (예를 들어, J.A. Bucaro, et al., Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber Sensors, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, 1986, pp. 321-338 참조.) 하이드로폰(104) 주위에 싸인 광섬유의 길이는 전형적으로 10미터 내지 100미터이다. 예를 들어, 초형광 광섬유 소스(SFS)와 같은 소스(110)로부터의 광은 3x3 결합기(112)에 의해 시계 방향(CW) 및 반시계 방향(CCW) 빔으로 스플리트된다. 3x3 결합기(112)의 동작은 널리 공지되어 있으며, 예를 들어, Sang K. Sheem, Fiber-optic gyroscope with [3x3] directional coupler, Applied Physics Letters, Vol. 37, No. 10, 15 November 1980, pp 869-871에 설명되어 있다.
본 명세서에서는 3x3 결합기(112)를 사용하여 설명되었지만, 다른 결합기(예를 들어, 2x2 결합기 4x4 결합기 등)가 본 발명의 다른 실시예로 사용될 수 있다. 예를 들어, 2x2 결합기를 사용하기 위해서는, 일측의 양 포트들이 사냑 간섭계를 생성하도록 사용된다. 다른 측의 한 포트는 검출 포트이다. 나머지 포트는 광을 어레이로 방사하는 데 사용되며 또한 결합기 또는 서큘레이터가 채용된다면 (광섬유 자이로스코프에서 행해진 것과 유사한 방식으로) 검출 포트로서 사용될 수 있다. 일반적으로, 임의의 nxm 결합기는 사냑 간섭계를 생성하도록 결합기의 일측의 2개의 포트를 사용하고 결합기의 다른 측 상의 포트들을 검출 포트, 런칭 포트 또는 양자 모두로서 사용함으로써 채용될 수 있다.
스플리팅 후에, CW 빔은 먼저 지연 루프(102)를 통해 다음에 하이드로폰(104)을 통해 이동하며, CCW 빔은 먼저 하이드로폰(104)을 통해 다음에 지연 루프(102)를 통해 이동한다. 하이드로폰(104)을 통해 CW 빔이 이동하는 시간과 하이드로폰(104)을 통해 CCW 빔이 이동하는 시간 사이의 시간 지연 Tdelay 동안에, 하이드로폰(104)의 음향 신호 및 또한 음향적으로 유도된 위상 변조가 변화한다. 위상 변조의 이러한 변화는 빔이 3x3 결합기(112)에서 빔이 재조합할 때 세기 변조로 변환되는 카운터-전파 빔들 사이의 위상차로 맵핑된다. 다음에, 이러한 세기 변조는 제1 검출기(120) 및 제2 검출기(122)에 의해 또는 2개의 검출기 중 어느 하나에 의해 검출된다.
보다 명확하게, 음향 신호가 하이드로폰(104)의 광섬유 내에서 위상 변조 φh cos(Ωt)를 유도한다면, 하이드로폰(104)에서의 간섭 빔들 간의 결과적인 위상 변조 φint(t)는 다음과 같다.
여기서 Tdelay는 지연 루프를 통한 이동 시간이다. 따라서, φint(t)는 하이드로폰 변조 φh의 함수 및 음향 변조 주파수 Ω와 루프 지연 Tdelay의 적(product)이다. 이는 φint(t)가 단지 하이드로폰 변조 φh만의 함수인 마하젠더 간섭계 센서와 다르다. 최대 감도는 음향 주파수 Ω와 시간 지연 Tdelay의 적이 π의 홀수배(수학식 1에서 제1 사인항의 최대값)일 때 사냑 루프 음향 센서에서 이루어진다. 이 러한 적 π를 이루는 음향 주파수는 최대 감도가 이루어지는 최저 주파수인 루프의 적절한 주파수로 불린다. 대부분의 물(water)에서의 센싱 어플리케이션은 10 kHz 아래의 음향 주파수의 검출에 관한 것이다. 10 kHz 미만인 적절한 루프 주파수에 대해, 적어도 50 마이크로초의 지연 시간 및 따라서 적어도 10 km의 지연 루프 길이가 요구된다. 따라서, 사냑 음향 센서(100)는 낮은 음향 주파수(<10 kHz)의 검출을 위한 다량의 광섬유를 필요로 한다.
사냑 간섭계 고유의 공통-경로 설계는 안정적인 바이어스 포인트의 추가 및 이미 언급된 위상 잡음의 제거에 있어서 마하젠더 간섭계 이상의 많은 장점을 갖는다. 사냑 간섭계는 초형광 광섬유 소스(SFS), 증폭된 자연발광(ASE) 소스의 예와 같은 쇼트 코히어런스(short-coherence) 길이의 사용을 가능하게 한다. 이러한 소스는 저렴하고 손쉽게 고 전력을 제공할 수 있다. 이는 3x3 결합기의 사용이 수동적으로 구 근방의 사냑 음향 센서를 바이어싱한다는 것을 나타내었다. (Sang K. Sheem, Fiber-optic gyroscope with [3x3] directional coupler, Applied Physics Letters, Vol. 37., 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 1990, pp. 69-70 참조.) 3x3 결합기의 2개의 검출 포트로부터 신호를 감함으로써, SFS 소스의 제한 잡음 소스인 소스 과도 잡음이 감해질 수 있으며, 하이드로폰으로 인한 위상-변조 유도 세기 변동이 추가된다. 이는 사냑 간섭계가 짧은 잡음 제한 성능에 접근하도록 한다. (Kjell Krakenes, et al., Sagnac interferometer for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol. 14, No. 20, October 15, 1989, pp. 1152-1145 참조.)
사냑계 음향 센서 상의 이전의 작업은 단일 센서 구성으로 제한되어 왔다. 사냑 간섭계의 고유의 장점 때문에, 출원인은 대규모 어레이에서 마하젠더 간섭계 센서를 사냑계 센서로 대체하는 것이 바람직하다고 결정하였다. 상기 논의된 각각의 사냑 센서(100)는 수 킬로미터의 광섬유, 대규모 어레이에 다수의 센서들을 비실용적으로 삽입하는 것을 필요로 한다. 광섬유 길이 요구도를 감소시키도록 지연 루프를 재순환시키는 연구는 매우 적은 광섬유를 사용하지만 재순환 루프 내에 EDFA들을 포함하는 것으로 인해 높은 잡음을 겪게 되는 센서들을 생성하였다. (예를 들어, J.T. Kringlebotn, et al., Sagnac Interferometer Including A recirculating Ring With An Erbium-doped Fibre Amplifier, OFS '92 Conference Proceeding, pp. 6-9 참조.) 요구되는 광섬유를 감소시키기 위한 신규한 접근법이 다음에서 설명된다.
사냑 간섭계에 기반한 신규한 센서 어레이
다음과 같이, 출원인은 다수의 센서를 동일한 지연 루프로 다중화하여, 실용적인 사냑 센서 어레이(SSA)를 생성함으로써 사냑 기반 대규모 어레이에서 요구되는 광섬유의 량을 감소시키는 신규한 시스템을 개발하였다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사냑 센서 어레이(200)는 단일 지연 루프(214)에 부착된 사다리 구성의 하이드로폰(212)(i)의 어레이(210)를 포함한다. 예를 들어, 도 2는 각각의 가로대들 216(1), 216(2) ... 216(N)에서 N개의 하이드로폰 212(1), 212(2) ... 212(N)을 갖는 사냑 센서 어레이(210)를 도시하고 있다. 사냑 센서 어레이(210)에서 각각의 가로대 216(i)는 각각의 하이드로폰 212(i) 주위를 둘러싸는 단일 광섬유를 포함한다. 지연 루프(214) 및 어레이(210)를 통해 3x3 결합기(220)로부터 그리고 다시 결합기(220)로의 각각의 경로는 개별적인 사냑 간섭계를 포함한다. 그러므로, N개의 센서(212) 어레이에 대해, N개의 개별적인 간섭계가 존재하며, 그 각각은 도 1에 도시된 단일 루프 사냑 센서(100)와 같이 동작한다. 각각의 사냑 간섭계는 공간, 즉 하이드로폰 212(i) 내의 개별적인 포인트에서의 음향 신호를 측정한다. 예를 들어, 지연 루프(214) 및 가로대 216(1)을 포함하는 사냑 간섭계는 하이드로폰 212(1)을 측정한다. 또한, 각각의 사냑 간섭계는 루프 어디에서도 음향 신호(예를 들어, 잡음)를 픽업하여, 후술하는 바와 같이 잡음이 유리하게 감소된다.
사냑 센서 어레이(200)는 시분할 다중화(TDM) 구성(비TDM 기법은 후술됨)에서 가장 쉽게 이해된다. 소스(222)(종래의 펄스 소스를 유익하게 포함할 수 있거나 외부 변조기를 갖는 cw 소스를 포함할 수 있음)는 결합기(220)의 제3 포트를 통해 사냑 센서로 진입하여 도 2에 도시된 바와 같이 CW 및 CCW 방향에서 전파한다. 어레이(210)에 도달 시에, CCW 펄스가 N개의 개별적인 펄스 트레인으로 스플리트된다. 이 시점에서, CW 입력 펄스는 어레이(210)에 아직 도달하지 않았으며 여전히 단일 펄스이다. CW 펄스가 어레이(210)에 도달할 때, 또한 N개의 펄스 트레인으로 스플리트된다. CW 트레인 내의 각각의 펄스는 각각의 가로대 216(i)을 통해 이동한 후에 3x3 결합기(220)로 복귀하여 반대 방향에서 동일한 가로대 216(i)을 이동 한 CCW 트레인 내의 펄스와 간섭한다. 따라서, N개의 펄스가 제1 검출기(230)와 제2 검출기(232)에 의해 검출되고, 각각의 펄스는 N개의 사냑 루프 중 하나의 CW 및 CCW 펄스(즉, 동일한 각각의 가로대 216(i)을 통해 반대 방향에서 이동한 2개의 펄스)를 포함한다. 가로대의 상이한 조합을 통해 이동하는 펄스들은 동일한 광 경로들을 이동하지 않기 때문에, 이러한 펄스들은 결합기(220)에서 시간이 일치하지 않으며, 따라서 결합기(22)에서 각각의 다른 것들과 간섭하지 않는다. 펄스 폭은 인접한 센서들 간의 상이한 지연보다 작게 되어 인접한 센서들로부터의 펄스들은 중첩되지 않는다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소 이득 어븀 도핑 광섬유 증폭기들(EDFA들)(240)은 EDFA들이 마하젠더 간섭계 센서 어레이에 추가되었던 것과 같이 어레이부(210)에 유익하게 추가된다. (예를 들어, Craig W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sensor Arrays incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part I: Signal-to-Noise Ratio, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 16, No. 2 February 1998, pp. 218-223; Craig W. Hodgson, et al., Optimization of Large-Scale Fiber Sensor Arrays incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part II: Pump Power, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 16. 2, February 1998, pp 224-231; Jefferson L. Wagener; et al. Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Amplifiers, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 15, No. 9, September 1997, pp. 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 참조.) EDFA들(240)은 결합 및 분산 손실로 상실된 신호 전력을 재생함으로써 단일 어레이(210)에 의해 지원될 수 있는 센서들의 수를 증가시킨다. EDFA들은 스플리팅 결합기(244)를 통해 그리고 제1 파장 분할 다중화(WDM) 결합기(246) 및 제2 WDM 결합기(248)를 통해 하나 이상의 펌프 레이저 소스(242)에 의해 유리하게 펌핑된다.
사냑 구조를 사용하기 때문에, 사냑 센서 어레이(200)는 상기 논의된 단일 루프 사냑 기반 센서(100)의 모든 장점을 갖는다. 공통 경로 설계는 간섭 결합기(220)에서 소스 위상 잡음의 세기 잡음으로의 변환을 제거한다. 소스(222)는 1.55 ㎛에서 저렴하게 고전력을 제공하는 광섬유 ASE(amplified spontaneous emission) 소스(즉, 상술한 SFS 소스)일 수 있다. 구 근방의 수동적인 바이어싱은 3x3 결합기(220)를 사용함으로써 모든 센서들에 대해 이루어질 수 있다. 또한, 3x3 결합기(220)는 검출기들(230, 232)에서 2개의 간섭계 출력을 검출하여 2개의 검출기의 출력을 소스 과도 잡음을 감하는 데 사용하는 편리한 수단을 제공한다. (예를 들어, 단일 사냑 간섭계와 조합되는 2개의 검출기 사용을 나타내는 K. Krakenes, et al., Sagnac interferometer for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol. 14, 1989, pp. 1152-1154 참조.)
이러한 신규한 사냑 센서 어레이(200)의 특성은 사냑 간섭계의 사용으로 발생하는 주파수 응답 및 동적 범위에 대한 보다 상세한 논의함으로써 보다 상세히 설명될 것이다. 이후에, 비 하이드로폰 광섬유 루프 세그먼트로부터 분산된 픽업 크기 계산이 픽업 크기를 감소시키기 위한 기술과 함께 설명될 것이다. 또한, 편광이 다음에서 다루어질 것이다. 사냑 설계에 의해 유도되는 새로운 잡음 소스가 다음에서 논의된다. 최종적으로, 사냑 센서에 대해 TDM이 아닌 다른 다중화 기법이 제공된다.
위에서 본 발명이 어레이(210)의 각각의 가로대 216(i) 내의 단일 센서에 대해 설명되었지만, 각각의 가로대 216(i)은 유익하게 상술한 바와 같이 다수의 센서를 갖는 서브어레이를 포함하는데, 이는 1997년 3월 11일자로 출원되었으며 본 명세서에 참조로서 포함된 미국특허출원 제08/814,548에 개시되어 있다. (또한, 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 using erbium-doped fiber amplifiers, Joumal of Lightwave Technology, Vol. 15, 1997, pp 1681-1688; C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber sensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part I: signal-to-noise ratio, Joumal of Lightwave Technology, Vol. 16, 1998, pp. 218-223; 및 C.W. Hodgson, et al., Optimization of large-scale fiber sensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part II: pump power, Joumal of Lightwave Technology, Vol. 16, 1998, pp. 224-231 참조.)
주파수 응답
상술한 바와 같이, 사냑 센서는 수학식 1에 의해 주어진 주파수 종속 응답을 갖는다. 1/(2·Tdelay)로서 정의된 루프의 적절한 주파수 아래의 주파수에서, 최소 검출 가능 음향 신호가 음향 주파수의 역으로 스케일링된다. 이러한 저 주파수에서 감소된 음향 감도는 사냑 음향 센서에 대한 주 관심사였다. 그러나, 이러한 저 주파수에서의 감소된 감도는 불행히도 증가하는 해저 잡음에 의해 매칭된다. (예를 들어, Sverre Knudsen, Ambient and Optical Noise in Fiber-Optic Interferometric Acoustic Sensors, Fiber-Optic Sensors Based on the Michelson and Sagnac Intererometers: Responsivity and Noise Properties, Thesis, Chapter 3, Norweglan University of Science and Technology, 1996, pp. 37-40 참조.) 이상적으로, 주어진 주파수에서의 어레이의 최소 검출 가능 음향 신호는 그 주파수에서 해저 잡음 아래의 일정량이 되는 것이 바람직하다. 따라서, 최소 검출 가능한 음향 신호는 또한 저 주파수에서 증가하여 증가하는 해저 잡음과 일치한다. 본 발명의 사냑 센서 어레이(200)의 주파수 응답은 사실상 해저 잡음과 음향 감도 사이에 우수한 일치를 제공한다. 이는 도 4에 도시되어 있으며, 여기서 사냑 센서 어레이에 대한 최소 검출 가능 음향 신호가 10 μrad/
의 광학적 잡음 플로어, 3.2 x 10-7rad/μPa의 하이드로폰 위상 응답성, 및 20 km의 지연 루프 길이를 가정하여 곡선 250으로서 플로팅된다. (수직축은 1 rad/μ
의 베이스라인에 관한 dB이다.) 또한, 주파수들에서 지배적인 해양 잡음 소스에 대한 해저 잡음 및 3개의 소스로부터의 최종적인 잡음 합계가 도 4에 도시되어 있다. 곡선 252는 해양 난기류, 지진, 화산 폭발 등으로부터의 잡음을 나타낸다. 곡선 253은 광 적재 잡 음을 나타낸다. 곡선 254는 DSS0(원거리 선적 및 폭풍) 잡음을 나타낸다. 곡선 256은 3개의 지배적인 소스(즉, 곡선 252, 253, 및 254의 합계)로부터의 접음 플로어의 합계를 나타낸다. (예를 들어, Robert J. Urick, The noise background of the sea: ambient noise level, Principles of Underwater Sound, 3rd Ed., Chapter 7, McGraw-Hill, 1983, pp. 202-236 참조.) 사냑 센서 어레이(200)의 최소 검출 가능 음향 신호는 10 kHz 아래의 모든 주파수들에서 해저 잡음 아래의 검출 가능한 신호의 일정량을 제공하는 방식으로 증가한다. 따라서, 사냑 센서 어레이(200)의 주파수 종속 응답은 저 주파수 음향 검출을 금지하지 않는다. 마하젠더 어레이가 사냑 센서 어레이와 동일한 추세, 즉 저 주파수를 향해서는 감도를 감소시키는 추세를 나타내지만, 마하젠더 어레이에서는, 감소하는 감도가 사냑 기반 센서보다 작다.
마하젠더 간섭계 및 사냑 센서 어레이(200)는 유사한 주파수 종속 응답을 갖지만, 주파수 응답의 소스는 기본적으로 다르다. 마하젠더 간섭계 센서 어레이에서의 증가하는 최소 검출 가능한 신호는 증가하는 광 잡음 플로어로 인한 것이다. 증가하는 광 잡음 플로어의 발생은 경로 불균형 마하젠더 간섭계에 의해 유도되는 위상 잡음이다. 따라서, 잡음 플로어는 10 μrad/
이지만, 이는 보다 낮은 주파수를 향해 증가한다. 사냑 센서 어레이(200)에서, 증가하는 최소 검출 가능 음향 신호는 수학식 1에서 sin(ΩTdelay/2)항으로 인한 것이며, 증가하는 광 잡음 플로어로 인한 것은 아니다. 광 잡음 플로어는 전체 주파수 영역에 걸쳐 일정한 10μrad/
를 유지한다.
이러한 차이의 현저성은 도 5에 도시된 마하젠더 간섭계 센서 어레이 및 사냑 센서 어레이(200)를 조사함으로써 알려질 수 있다. 센서의 동적 범위는 최소 및 최대 검출 가능 위상 시프트에 의해 제한된다. 간섭계 센서에 대해, 최대 검출 가능한 위상 시프트는 간섭계의 비선형 응답에 의해 제한되며 최소 검출 가능한 위상 시프트는 광 잡음 플로어에 의해 제한된다. 마하젠더 간섭계 센서 어레이 및 사냑 센서 양자 모두는 음향 주파수 범위에 걸쳐 일정한 최대 검출 가능한 위상 시프트를 갖는다. 그러나, 사냑 센서 어레이(200)는 또한 평탄한 광 잡음 플로어를 갖기 때문에 평탄한 최소 검출 가능 위상 시프트를 가지며, 마하젠더 간섭계 센서 어레이는 경로 불균형 간섭계에 의해 유도되는 위상 잡음에 의해 발생된 증가하는 광 잡음 플로어로 인해 증가하는 최소 검출 가능 위상 시프트를 겪는다. 따라서, 사냑 센서 어레이(200)는 모든 음향 주파수에서 일정한 동적 범위를 가지며, 마하젠더 간섭계 센서 어레이는 낮은 음향 주파수에서 감소된 동적 범위를 갖는다. 이는 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 최소 및 최대 검출 가능 음향 신호(dB 임의의 단위)가 사냑 센서 어레이(200) 및 마하젠더 간섭계 센서 어레이에 대해 플로팅된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 양 어레이 모두는 1kHz 위에서 대략 100 dB 동적 범위를 가지며, 여기서 위상 잡음은 마하젠더 간섭계 센서 어레이를 제한하지 않는다. 10 Hz에서, 위상 잡음은 마하젠더 간섭계 어레이를 압도하며, 그 동적 범위는 대략 74 dB로 감소된다. 한편, 사냑 센서 어레이(200)의 동적 범위는 대략 100 dB 로 유지된다.
적절한 루프 주파수 아래의 주파수에서 지연 루프 길이 및 하이드로폰 응답성의 함수로서 사냑 센서 어레이(200)의 주파수 응답을 조사한다. 이 주파수들에서, 수학식 1의 sin(ΩTdelay/2) 인자는 사냑 센서 어레이(200)의 응답성이 φh 및 Tdelay의 적에 비례하는 것을 나타내는 ΩTdelay/2로서 근사될 수 있다. φh
그 자체는 각각의 하이드로폰 212(i)에서의 광섬유 양에 비례하며, Tdelay는 지연 루프(214)에서의 광섬유 양에 비례한다. 따라서, 적절한 루프 주파수 아래의 주파수에서의 응답성은 하이드로폰 광섬유 길이와 지연 광섬유 길이의 적에 비례한다. 도 6은 각각의 하이드로폰 212(i)와 지연 루프(214) 내의 광섬유의 길이이 적은 일정하지만, 지연 루프(214)와 각각의 하이드로폰 212(i) 사이의 광섬유의 상대 분포는 변화하는 여러 사냑 센서 어레이 구성들에 대한 최소 검출 가능 음향 신호를 도시하고 있다. 예를 들어, 곡선 260은 그 지연 루프(214)에서 45 km의 광섬유 및 각각의 하이드로폰 212(i)에서 100미터의 광섬유를 갖는 사냑 센서 어레이(200)의 주파수 응답을 나타내며, 곡선 262는 그 지연 루프(214)에서 30 km의 광섬유 및 각각의 하이드로폰 212(i)에서 150미터의 광섬유를 갖는 사냑 센서 어레이(200)의 주파수 응답을 나타내고, 곡선 264는 그 지연 루프(214)에서 15km의 광섬유 및 각각의 하이드로폰 212(i)에서 300미터의 광섬유를 갖는 사냑 센서 어레이(200)의 주파수 응답을 나타내고 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 사냑 센서 어레이(200)는 저 주파수에서 동일한 감도를 갖지만, 그 각각의 적절한 루프 주파수에 의해 주어진 상이한 주 파수에서 최대 감도에 접근한다. 따라서, 주어진 저 주파수에서의 최소 검출 가능 음향 신호에 대해, 여전히 지연 루프(214) 및 하이드로폰 212(i)의 광섬유 길이들을 선택할 수 있는 몇몇의 자유도가 존재한다. 이러한 자유도는 사냑 센서 어레이(200)가 요구되는 전체 광섬유의 양을 최소화하거나 지연 루프 길이를 최소화하는 것과 같은 다른 기준을 만족시키는 것을 돕는 데 이용될 수 있다.
사냑 센서 어레이의 동적 범위 증가
상술한 바와 같이, 사냑 센서 어레이(200)는 그것이 위상 잡음에 면역성이 있기 때문에 마하젠더 간섭계 센서 어레이보다 낮은 음향 주파수에서 큰 동적 범위를 갖는다. 이상적으로 어레이(200)는 발생되는 가장 짧고 가장 약한 음향 신호를 검출하기에 충분한 동적 범위를 제공한다. 이러한 요구는 종종 대략 150 dB의 필요 동적 범위로 해석된다. 마하젠더 간섭계 센서 어레이에서 큰 동적 범위를 달성하기 위해서는, 상이한 위상 응답성을 갖는 2개의 개별적인 센서가 요구되는데, 그 각각은 전체 150 dB의 동적 범위의 일부를 검출한다. 이러한 기법에 있어서의 자명한 단점은 2개의 센서 어레이(즉, 많은 하이드로폰, 가로대, 소스, 및 검출기들의 2배)를 필요로 한다는 것이다. 효과적으로, N개의 하이드로폰을 지원할 수 있는 어레이는 단지 N/2개의 포인트에서 음향 신호를 검출할 수 있다.
사냑 센서 어레이(200)에서는, 추가 하이드로폰(212)을 사용하지 않으면서 큰 동적 범위를 달성하는 것이 가능하다. 사냑 센서 어레이에서의 위상 응답성은 수학식 1에 나타난 바와 같이 하이드로폰 응답성 및 지연 루프 길이의 함수이기 때문에, 하이드로폰의 전체 어레이의 위상 응답성은 지연 루프 길이를 변경함으로써 변화될 수 있다. 각각 길이 L1 및 L2인 2개의 개별적인 지연 루프 214(1) 및 214(2)를 동시에 사용함으로써, 도 7에서 변경된 센서 어레이(266)로 도시된 바와 같이, 어레이(266)의 검출 범위가 현저히 증가될 수 있다. 어레이(266)는 2N개의 개별적인 사냑 루프를 갖는다. 각각의 하이드로폰 212(i)은 2개의 지연 루프 경로 각각에 대해 개별적인 신호를 복귀시키며, 각각의 지연 루프 214(1), 214(2)의 길이는 신호의 음향 검출 범위를 결정한다. 각각의 하이드로폰 212(i)의 전체 음향 검출 범위는 하이드로폰 212(i)을 둘러싸는 2개의 사냑 루프 센서 각각의 검출 범위들의 결합이다. L1 및 L2의 길이가 음향 검출 범위를 설정한다. 길이 L1+L
2는 어레이(266)가 나머지 중 가장 작은 음향 신호를 검출하도록 선택된다. 다음에, 지연 루프 214(1)의 길이 L1은 지연 루프들 214(1), 214(2) 양자 모두를 이동하는 신호의 검출 범위 상부에 보다 짧은 지연 루프만을 이동하는 신호들의 검출 범위를 위치시키도록 선택된다. TDM 시스템에서, 제2 루프 삽입의 결과로서, 소스 펄스의 반복 주파수가 2N 펄스에 대한 시간을 복귀시키도록 하기 위해 반분되며, 지연 루프들 214(1), 214(2)의 길이는 펄스 중첩이 존재하지 않도록 선택된다. 반복 주파수가 반분되기 때문에, 각각의 개별적인 신호의 동적 범위는 3 dB만큼 감소한다. 이러한 감소는 2개의 개별적인 신호의 동적 범위를 피기백(piggyback)함으로써 이루어진 전체 동적 범위에서의 증가에 의한 오프셋보다 크다. 도 7에서, 제2 지연 루프 214(2)는 제2 지연 루프 214(2)를 통과하는 모든 광이 제1 지연 루프 212(1)를 통과하도록 배치된다. 다르게, 2개의 지연 루프들 214(1), 214(2)은 제2 지연 루프를 통과하는 광이 제1 지연 루프 214(1)를 통과하지 않도록 선택적으로 평행이 될 수 있다. 이러한 경우에, 제2 지연 루프 214(2)의 광섬유 길이는 제1 길이와 제2 길이의 합(즉, L1+L2)이 되어야 한다. 그러나, L1은 L2보다 짧으므로, 이러한 조정은 필수적이지 않다. 도 7의 실시예는 제1 지연 루프의 길이를 제2 지연 루프에 가산함으로써 전체 광섬유 요구도를 감소시킨다.
도 8은 각각의 신호의 동적 범위가 1000 dB이고 비율 L1/L2가 5000으로 설정된 어레이(266)에서 2개의 지연 루프들 214(1), 214(2)을 사용함으로써 가능하게 된 확장된 동적 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 어레이(266)는 하이드로폰 카운트의 증가 없이 나머지 중 전체 동적 범위(대략 160 dB 범위)에 걸쳐 검출할 수 있다.
분산 센싱
사냑 센서 어레이(266)에서, 간섭계 내의 임의의 위상 변조가 간섭 3x3 결합기(220)에서 세기 변조로 전달될 수 있다. 이러한 전체 사냑 루프에 걸친 분산 센싱은 음향 센서 어레이에 대해 단점이 있다. 실용적이기 위해서는, 음향 센서 어레이는 공간 내의 다수의 이산 포인트에서(즉, 하이드로폰에서) 음향 신호를 샘플링하여 이 신호들을 독립적으로 복귀시켜야 한다. 마하젠더 간섭계 센서 어레이는 이를 가능하게 하는데 그것은 간섭계가 작은 공간 내에 한정되어 단지 그 지점에서만 센싱하기 때문이다. 사냑 센서 어레이(266)가 실용적이기 위해서는, 사냑 루프의 분산 센싱이 감소되어야 한다.
간섭계 내의 광섬유 벌크는 2개의 위치들에 배치될 수 있는 지연 루프(214)를 구성한다. 첫 번째는 도 9A에 도시된 바와 같이 물에 잠기지 않는 단부(즉, 물 외부) 소스(22) 및 검출 전자 장치(즉, 검출기(230) 및 검출기(232))를 사용하는 것이다. 여기서 지연 루프(214)는 임의의 외부 변조를 최소화하도록 환경적으로 차폐될 수 있다. 그러나, 물에 잠기는 단부를 어레이부(210)에 연결하는 다운리드 광섬유들(270, 272)은 간섭계의 일부이다. 두 번째 가능성은 도 9B에 도시된 바와 같이 어레이(210)와 함께 물에 잠기는 단부(즉, 물 내부) 내에 지연 루프(214)를 위치시키는 것이다. 이와 같이, 지연 루프(214)는 물에 잠기지 않는 단부에 위치한 것과 동일한 정도로 고립될 수 없지만, 다운리드 광섬유들(270, 272, 274)은 간섭계의 외측에 위치하여 센싱하지 않는다. 다운리드의 상대 크기 및 지연 루프 분산 픽업은 어느 구성이 특정 어플리케이션에 최적인 지를 나타낸다. 지연 루프(214)가 물에 잠기지 않는 단부 내에 위치한다면(도 9A 참조), 다운리드 광섬유들(270, 272)은 극히 큰 위상 변조를 유도할 수 있는 광섬유들의 구부러짐 및 진동과 같은 물리적인 이동을 방지하도록 고정되어 유지되어야 한다는 것에 유의한다. 이는 음향 유도 위상 변조와 반대로 광섬유 모션 유도 위상 변조이다. (이러한 물리적인 이동은 토우 어레이의 문제점이 있지만, 고정 어레이에서 현격한 문제점은 아닐 것이다.) 따라서, 지연 루프(214)가 물에 잠기지 않는 단부 내에 위치한다면(도 9A 참조), 사냑 센서 어레이(210)의 전체 물에 잠기는 단부는 고정되어야 한다. 그러나, 물에 잠기는 단부에 위치한 지연 루프(214)에 있어서(도 9B 참조), 도 9B의 3x3 결합기(220)의 우측 부분만이 고정도어 유지되어야 하는데, 이는 다운리드 광섬유들(270, 272, 274)이 간섭계의 일부가 아니기 때문이다. 지연 루프(214)가 물에 잠기지 않는 단부에 위치할 때(도 9B 참조), 지연 루프 광섬유는 감도가 감소되어야 한다. 지연 루프(214)는 감도가 감소된 실린더(도시되지 않음) 주위에 지연 루프 광섬유를 둘러쌈으로써 고정될 수 있으며, 따라서 광섬유 모션을 제거하고 분산된 픽업 신호의 지배적인 소스를 음향 픽업하게 된다. 이동 유도 위상 변조로 광섬유 감도를 감소시키는 것보다 음향 유도 위상 변조로 광섬유 감도를 감소시키는 것이 쉽기 때문에, 물에 잠기지 않는 단부 내의 지연 루프(214) 내에 위치한 구성(도 9B 참조)은 토우 어레이 어플리케이션에 바람직하며 다음에서 보다 상세히 설명될 것이다.
지연 루프에서 유도된 음향 픽업 잡음의 계산
본 설명 부분에서, 도 9(b)의 사냑 센서 어레이(210) 내의 음향 유도 하이드로폰 위상 변조에 비해 음향 유도 분산 픽업 잡음의 크기에 대한 측정이 유도된다. 지연 루프 내의 음향 신호의 픽업 및 버스 광섬유(각각의 하이드로폰을 지연 루프 및 3x3 결합기에 연결시키는 광섬유)로부터 발생하는 분산 위상 변조로 인한 세기 변조가 잡음의 소스로 고려될 수 있다. 다음의 논의에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 사냑 센서 어레이의 한 루프가 단지 Ld 길이의 지연 광섬유, Lb 길이의 버스 광섬유, Lh 길이의 하이드로폰 광섬유, 및 전체 길이 L을 포함하는 것으로 고려한다. 또한, Ld는 Lb 및 Lh보다 훨씬 큰 것으로 가정한다. 음향 신호에 대한 광섬유의 위상 응답은 압력 의존 전파 상수 β로부터 발생한다. 일반적으로, 위치 l 및 시간 t에서의 전파 상수의 압력 의존 성분은 다음과 같다.
여기서 β0은 제로 압력 전파 상수이며, R(l)은 광섬유의 정규화된 위상 응답성이며, P(l,t)는 공간 및 시간의 함수로서의 압력이다. 주파수 ζ인 사인곡선의 음향 신호가 가정된다면, 수학식 2는 다음과 같이 다시 쓰여질 수 있다.
여기서 P0은 안정 상태 압력이며, Pm은 압력 변조의 진폭이고(l에 독립적인 것으로 가정), ν(l)은 음향파의 공간 위상 변화를 포함한다. 일반적으로, l=l1으로부터 l=l2로의 음향 유도 위상 변조로 인한 사냑 루프 내의 간섭 빔들 간의 유도 위상차는 적분에 의해 다음과 같이 주어진다.
여기서, ν는 광섬유의 광속도이며, L은 루프 길이이다. 수학식 3을 수학식 4로 대체한 것은 다음과 같다.
수학식 5는 하이드로폰, 버스, 및 지연 광섬유의 음향 변조로 인한 간섭 빔들 간의 위상차를 판정하는 데 사용될 수 있다.
하이드로폰 광섬유에 대해, 수학식 5는 l1=ld+lb/2로부터 l2=l
d+lb/2+lh로 적분된다. ν(l)은 상기 범위에 걸쳐 일정하다고(즉, 음향 파장이 하이드로폰의 치수보다 훨씬 큼) 가정한다. 또한, 광섬유의 정규화된 위상 응답성 R(l)이 일정하며 상기 범위 내에서 Rh와 동일하다고 가정한다. 다음에 수학식 5는 하이드로폰 광섬유 변조로 인해 간섭 빔들 사이의 위상차 진폭을 제공한다.
여기서 ζLh/2ν<<1이라고 가정한다. 수학식 2는 수학식 1에서 제공된 표현과 일치함에 유의한다.
버스 광섬유에 대해, 수학식 5는 l1=ld로부터 l2=ld+lb
/2로 적분되며, 다음에 l1=L-lb/2로부터 l2=L로 적분되어 상부 버스 라인과 하부 버스 라인 모두를 포함한다. 다시, ν(l)이 수학식 5의 적분에서 일정하도록 R(l)은 일정하며 모든 버스 광섬유에 대해 Rb와 동일하다고 가정한다. 광섬유 변조로 인한 간섭 빔들 간의 위 상차 진폭은 다음과 같다.
여기서 ζLh/2ν<<1라고 가정한다. ν(l)의 일정성 및 ζLh/2ν의 진폭에 대한 가정은 φb
int를 증가시키도록 작용하여, 버스 광섬유에 대한 최악의 시나리오를 제공한다.
지연 광섬유에 대해, 수학식 5는 l1=0으로부터 l2=ld로 적분되며, 이전과 같이, ν(l)은 상기 범위에 걸쳐 일정하며(즉, 지연 루프 코일이 음향 파장보다 훨씬 작음), R(l)은 일정하고 적분을 통해 Rd와 동일하다고 가정한다. 수학식 5는 다음과 같이 주어진 지연 광섬유 변조로 인해 간섭 빔들 간의 위상차 진폭을 얻는다.
여기서, ζLh/2ν<<1라고 가정한다.
수학식 6-8에서, 위상 변조의 상대적 크기가 계산될 수 있다. 먼저, 표준 플라스틱 코팅 광섬유가 -328 dB인 정규화된 위상 응답성 R re 1/μPa를 갖는다고 가정하며 이는 예를 들어, J.A. Bucaro et al., Optical fibre sensor coatings, Optical fiber sensors,
Proceedings of the NATO Advanced Study Institute,
1986, pp. 321-338에 설명되어 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 예를 들어, C.C. Wang, et al., Very high responsivity fiber optic hydrophones for commercial applications, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol. 2360, 1994, pp. 360-363에서는, 에어백 주축으로부터 이루어진 현재의 하이드로폰들 주의에 싸인 광섬유가 -298 dB re 1/μPa인 정규화된 위상 감도, 표준 광섬유를 통해 30 dB의 증가를 갖는다. 지연 루프 및 버스 광섬유가 표준 플라스틱 코팅된 광섬유의 정규화된 응답성을 가지며, 하이드로폰 광섬유는 에어백 주축 주위에 싸인다고 가정하면, Rb에 대한 Rh의 비율이 대략 30 dB이다. 그러므로, 수학식 6-8에 걸쳐 이루어진 가정을 간소화하여 다음이 얻어질 수 있다.
비율 Lb/Lh는 하이드로폰 위치의 함수이다. 제1 하이드로폰에 대해, Lb/Lh≒0은 φh
int/φd
int≒31 및 φ
h
int/φb
int를 극히 크게 한다. 최종 하이드로폰에 대해, 각각 Lh 및 Lb를 위해 100미터 및 1 km의 전형적인 값이 φh
int/φd
int ≒ φh
int/ φb
int ≒ 3에 도달하도록 사용된다. 따라서, 하이드로폰 광섬유가 전체 사냑 루프의 비교적 소량을 구성한다는 사실에도 불구하고, 하이드로폰 광섬유 내의 음향 유도 위상 변조의 크기는 지연 루프 광섬유 내 및 가장 먼 하이드로폰에 대한 버스 광섬유 내에서 음향 유도 위상 변조에서보다 크다. 다음은 빈 가로대를 사용한 분산 픽업 잡음의 레벨을 사용하여 취급하기 위한 수단을 설명한다.
지연 루프 광섬유에 대한 수학식 5에서의 적분을 평가하기 위해, 모든 l에 대한 R(l)=Rd는 Ld보다 작다고 가정한다. l=(L-Ld)로부터 Ld로의 수학식 5의 적분에 일정한 기여를 제거하는 R(l)의 일정성이 존재한다. (적분 연산자가 L/2에 대한 기함수가 되기 때문임.) 그러나, 광섬유의 긴 길이를 코일링하는 것은 l에 대한 몇몇의 R(l)의 종속성을 발생시킬 것이다. (광섬유의 내층이 외측보다 다른 R을 갖기 때문임.) 이러한 R(l)의 변동은 l=L-Ld로부터 Ld로 지연 루프 픽업을 증가시킨다. 이러한 픽업을 감소시키기 위해, 수학식 5의 적분 연산자를 L/2에 대한 기입수로 만들기 위해 단지 L/2 근방의 우함수만을 필요로 한다. R(l)은 도 11에 도시된 바와 같이 서로 다음의 광섬유 루프의 대칭 포인트에 위치시키는 방식으로 지연 루프를 래핑함(wrapping)으로써 L/2에 대해 보다 대칭적이도록 강제될 수 있다. 이러한 래핑은 지연 루프의 대칭 포인트들이 서로 근접하게 위치되어 코일 상의 광섬유의 위치로 인한 R(l)의 임의의 변동이 L/2에 대해 가능한 한 대칭적으로 됨으로써, 지연 루프 픽업을 수학식 8의 표현에 가능한 한 가깝게 한다. 사냑 센서 어레이 내의 각각의 사냑 루프는 상이한 L/2 포인트를 가지기 때문에, 도 11에 도시 된 바와 같이 단지 하나의 루프가 정확하게 래핑될 수 있어, R(l)의 작은 정도의 기수성을 사냑 루프 중 하나를 제외한 모두에 대해 유도함에 유의한다.
또한, 하이드로폰으로 광섬유의 음향 감도를 향상시키는 것에 추가하여, 특정한 직경의 금속 코팅을 사용함으로써 광섬유의 감도를 감소시키는 것이 가능하다. (예를 들어, 위에서 인용된 J.A. Bucaro, Optical fibre sensor coatings 참조.) -366 dB re 1/μPa만큼 낮은 측정되고 정규화된 위상 응답성들이 보고되었다. 이러한 광섬유가 지연 또는 버스 라인들에 사용된다면, Rb에 대한 Rh의 비율 또는 Rd에 대한 Rh의 비율은 68 dB에 근접하여 (플라스틱 코팅된 지연 및 버스 광섬유들을 사용한 30 dB 대신에) 지연 및 버스 유도 신호 상의 하이드로폰 유도 신호를 38 dB만큼 증가시킨다.
빈 가로대를 사용함으로써 분산 픽업 잡음을 감소
분산 픽업 신호를 더 제거하기 위해, 하이드로폰 유도 음향 변조는 도 12에 도시된 바와 같이 어레이(210) 내에 하이드로폰을 포함하지 않는 빈 가로대(300)를 배치함으로써 분산 픽업 변조로부터 분리될 수 있다. 소위 센싱 가로대로 불리는, 하이드로폰 212(i)를 포함하지 않는 각각의 가로대 216(i)은 빈 가로대 300(i) 중 하나에 의해 진행된다. 빈 가로대 300(i)을 둘러싸는 각각의 루프의 비 센싱 광섬유가 대응하는 센싱 가로대 212(i)를 둘러싸는 루프의 비 센싱 광섬유와 거의 동일하다는 사실은 빈 가로대 300(i) 및 대응하는 센싱 가로대 212(i)가 거의 동일한 분산 픽업 신호를 가진다는 것을 의미한다. 중첩되지 않도록, 어레이(210)내의 다 른 센서와 같이 빈 가로대 300(i)을 취급하고 빈 가로대 300(i)와 센싱 가로대 212(i)로부터의 펄스를 (TDM 기법으로) 적절하게 타이밍시킴으로써, 각각의 센싱 가로대 212(i) 상에 존재하는 분산 픽업 신호가 측정될 수 있다. 검출 후에, 상기 신호는 센싱 가로대 신호로부터 감해질 수 있어, 하이드로폰 광섬유 내에 위상 변조에 의해 생성된 세기 변동만이 남게된다. 이러한 기법을 구현하는 것은 N개의 센서 어레이(210)에 대해 2N개의 가로대를 필요로 하여, 개별 신호들의 의무 주기를 절반으로 감소시킨다.
어레이(210)의 버스부의 감도를 감소시키는 것이 필요하지 않다면, 단일의 빈 가로대(300)가 지연 루프(214)와 연관된 분산 픽업 신호를 측정하도록 어레이(210) 내에 위치될 수 있어, N개의 센서에 대해 단지 N+1개의 가로대(N개의 센싱 가로대 212(i) 및 하나의 빈 가로대(300))만이 필요하게 된다. 하나의 빈 가로대(300)가 각각의 센싱 가로대 212(i)에 대해 분산 픽업 신호를 적절하게 측정하지 않는다면, 각각의 센싱 가로대 212(i) 상에 존재하는 분산 픽업 신호가 가장 가까운 빈 가로대(300)에 의해 적절하게 측정될 수 있을 때까지 보다 많은 빈 가로대(300)가 어레이를 따라 주기적 간격으로 추가될 수 있다. 보다 적은 가로대를 사용하는 것은 개별 신호에 대해 보다 높은 의무 주기를 발생시킨다. 도 12는 빈 가로대가 각각의 센싱 가로대에 대해 추가된 극단적인 예를 도시하고 있다.
편광
임의의 간섭계 센서의 최대 콘트라스트에 대해, 간섭 빔들의 편광(SOP) 상태는 그들이 재조합될 때 동일해야 한다. 그들이 직교한다면, 간섭은 없으며 따라서 진폭 변조 신호가 없다. 이는 편광 유도 신호 페이딩으로서 칭한다. 사냑 센서 어레이 내의 각각의 센서는 사냑 루프이기 때문에, 사냑 광섬유 자이로스코프에서의 편광 유도 신호 페이딩에서 수행된 연구가 사냑 센서 어레이에 마찬가지로 적용된다. 한가지 가능한 해결책은 사냑 루프 내에 편광 해제기를 배치하는 것이다. (예를 들어, K. Bohm, et al., LOW-DRIFT FIBRE GYRO USING A SUPERLUMINESCENT DIODE, ELECTRONICS LETTERS, Vol. 17, No. 10, 14th May 1981, pp. 352-353 참조.) 편광 해제기는 광 파워의 적어도 절반이 항상 올바른 SOP로 3x3 결합기로 복귀하는 것을 보장한다. 이러한 일반적인 접근법은 루프 복굴절(birefringence)에 관계없이 일정한 가시성을 이룬다. (예를 들어, William K. Burns, et al., Fiber-Optic Gyroscopes with Depolarized Light, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 10, No. 7, July 1992, pp 992-999 참조.) 가장 간단한 구성은 루프 내에 광섬유 초형광 소스와 같은 편광되지 않은 소스 및 편광 해제기를 사용한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 사냑 센서 어레이(200)에서, 하나의 편광 해제기(310)는 모든 사냑 루프에 공통인 포인트에 배치된다. 편광 해제기(310)는 루프 복굴절이 일정하게 유지되기만 하면 각각의 센서 212(i)가 복굴절에 독립적인 일정한 가시성을 갖는 것을 보장한다. 이는 마하젠더 간섭계 센서 어레이에서 사용된 방법들을 통해 편광 유도 신호 페이딩의 취급을 매우 간단하게 한다.
복굴절의 늦은 변화가 사냑 간섭계의 상호적 특성에 의해 충분히 제거될 것이지만, 나머지 음향 범위에서의 주파수에서 복굴절 변조는 편광 잡음을 생성할 것이다. 상기 주파수들에서의 대부분의 복굴절 변조는 물리적인 광섬유 이동의 결과 로서 발생한다. 따라서, 사냑 루프는 (분산 픽업 신호뿐만 아니라) 편광 잡음을 감소시키기 위해 고정되게 유지되어야 한다.
사냑 간섭계의 사용에 의해 유도된 잡음 소스
열 위상 잡음
광섬유의 굴절률이 온도에 따라 변화하기 때문에, 광섬유의 열 변동은 광이 그것을 통과할 때 위상 변동을 일으킬 것이다. 이러한 굴절률 변동은 광섬유의 길이에 상관되지 않으며, 따라서 최종적인 위상 변동은 길이의 제곱근으로서 스케일링된다. 마하젠더 간섭계는 전형적으로 각각의 암에서 100 미터 미만의 광섬유를 사용하기 때문에, 열 위상 잡음의 크기는 소홀히 할 수 있다. 사냑 간섭계는 간섭계에서 우수한 광섬유를 가지며, 그 결과, 열 위상 잡음은 제한 잡음 소스가 될 수 있다. 사냑 간섭계의 열 위상 잡음의 크기가 이론적으로 설명되었으며 실험에 의해 확인되었다. (예를 들어, 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 Fiber-Optic Sangnac and Mach-Zehnder Interferometers with Respect to Thermal Processes in Fiber, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 13, No. 4, April 1995, pp. 682-686 참조.) 2 km보다 큰 루프에 대해, 열 위상 잡음은 나머지 주파수 범위에서 요구되는 어레이 감도의 정도인 1μrad/
를 초과할 수 있다.
열 위상 잡음이 지연 루프에 대한 외부 변조와 동종의 분산 픽업 잡음의 소스로서 고려될 수 있으며, 이는 상술한 바와 같이 빈 가로대를 사용함으로써 감소될 수 있다. 열 위상 잡음은 또한 루프 길이를 단축함으로써 감소될 수 있다. 상술한 바와 같이, 지연 루프가 감소된 것과 동일한 요인에 의해 하이드로폰 광섬유 길이를 증가시킴으로써 낮은 주파수 감도를 변화시키지 않으면서 루프 길이가 단축될 수 있다. 예를 들어, 50 미터의 하이드로폰 광섬유를 갖는 40 km의 지연 루프는 100미터의 광섬유를 갖는 20 km의 지연 루프와 동일한 저 주파수 응답을 갖는다. 그러나, 후자 조합은 전체 지연 루프 길이가 거의 2만큼 짧기 때문에 열 위상 잡음을 덜 겪을 것이다.
Kerr 효과 유도 위상 잡음
사냑 간섭계에서 생성될 수 있는 Kerr-유도 위상 시프트는 광섬유 자이로스코프에 대해 우수한 주의력 갖는다. (예를 들어, R.A. Bergh, et al., Source statistics and the Kerr effect in fiber-optic gyroscopes, OPTICS LETTER, Vol. 7, No. 11, November 1982, pp. 563-565; R.A. Bergh, et al., Compensation of the optical Kerr effect in fiber-optic gyroscopes, OPTICS LETTERS, Vol. 7, No. 6, June 1982, pp 282-284; 및 N.J. Frigo, et al., Optical Kerr effect in fiber gyroscopes: effects of nonmonochromatic sources, OPTICS LETTERS, Vol. 8, No. 2, February 1983, pp 119-121 참조.) 그러나, 자이로스코프 및 음향 센서의 요구는 자이로스코프가 DC 레벨을 측정하기 때문에 다르다. 광섬유 자이로스코프를 제한하는 Kerr-유도 DC 위상 시프트에 의해 생성된 작은 DC 오프셋은 음향 센 서로는 이슈가 되지 않는다. Kerr-유도 DC 위상 시프트는 그것이 구로부터 너무 먼 바이어스 포인트를 이동하지 않기만 하면 문제가 없다. 광 소스에 대한 세기 잡음은 출력 상에 Kerr 유도 위상 잡음을 생성할 수 있다. 그러나, Kerr-유도 DC 위상 시프트가 작게 유지되기만 하면 Kerr-유도 AC 위상 잡음의 크기는 작다. 사냑 센서 내의 원래의 Kerr-유도 위상 시프트는 광섬유 자이로스코프와 다르다. 사냑 센서 어레이의 비대칭성은 통상적으로 대칭 자이로스코프에서보다 훨씬 쉽게 Kerr 위상 시프트를 요구한다. 하나의 빔이 지연 루프를 통해 전파하기 전에 이득을 알아서, 손실을 알고, 반대 전파 빔이 손실을 알아서 이득을 안다는 면에서 비대칭성은 비대칭인 EDFA들의 임의의 배치뿐만 아니라 어레이부로부터도 발생한다. 지연 루프 내의 EDFA들에 대한 적절한 위치를 선택함으로써 비대칭성을 평형화하고 Kerr 유도 위상 시프트를 널링하는 것이 가능하다. 특정사항은 정확한 어레이 구성에 따르며 다중화 기법이 사용된다.
EDFA들로부터 발생하는 비선형 변조
EDFA들에서 생성되는 파퓰레이션 인버전은 그것을 통과하는 신호 광에 대한 위상 시프트를 유도한다. (예를 들어, M.J.F. Digonnet, et al., Resonantly Enhanced Nonlinearity in Doped Fibers for Low-Power All-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Vol. 3, No. 1, January 1997, pp. 44-64 참조.) 이 현상은 모든 광 간섭계 스위치들을 생성하는 데 사용되었다. 사냑 센서 어레이에서, 간섭계 내의 EDFA들은 동일한 메카니즘을 통해 비선형 위상 시프트를 생성한다. 펌프 또는 신호 전력 변동으로 인한 파퓰레이션 인버전은 세기 잡음으 로 변환될 위상 변조를 생성할 것이다.
이러한 잡음 소스의 크기를 측정하기 위해, 어떻게 반전된 파퓰레이션이 펌프 및 신호 전력 변동에 응답하는 지에 대한 판정이 먼저 이루어져야 한다. 이는 어븀 시스템에 대한 레이트 수학식을 유도함으로서 바로 행해질 수 있다.
여기서 N1 및 N2는 각각 보다 낮고 여기된 상태의 파퓰레이션 밀도들이며, N0은 전체 파퓰레이션 밀도이고, l은 세기, σ는 크로스 섹션이고, Aeff는 광섬유 내의 유효 모드 면적이고, τ2는 레벨 2의 수명이다. 아래 첨자 p 및 s는 각각 펌프 및 신호를 표시하며, 위 첨자 a 및 θ는 각각 흡수 및 방출을 나타낸다.
N1, N2, lp, 및 ls를 그 정상 상태 및 시변화 성분으로 스플리팅함으로써, 이것에서 수학식 12를 감산하고 수학식 12와 수학식 11을 조합한 결과는 다음과 같다.
여기서 위 첨자 ss는 안정 상태 값을 나타내고, 시변화 성분은 시간 (N2=N2
ss+N2(t))의 정확한 함수로서 쓰여진다. N2(t)가 N2
ss보다 훨씬 작다고 가정한다면, 수학식 13의 최종 2개의 항은 무시될 수 있다. lp
msin(fpt) 및 ls(t)=ls
msin(fst)를 기입하고(여기서 lp
m
및 ls
m은 각각 lp(t) 및 ls(t)의 변조 진폭을 나타내고, fp 및 fs는 각각 펌프 및 신호 변조 주파수를 나타냄) 최종 미분 방정식의 해를 구함으로써, 다음이 얻어질 수 있다.
여기서:
λp=1480㎚, λs=1550㎚, 및 Ip
ss=1W로 가정하고, 전형적인 어븀 실리카(erbium-silica) 단면을 가정하면, 식 14 및 15는 다음과 같이 단순화된다.
펌프-유기된 파퓰레이션 인버전 변동(식 17 참조)이 먼저 분석될 것이다. Is
ss=1 mW, Ip
ss=1W, 및 Ip
m/Ip
ss=10-6/
(120 dB/
전자 SNR) 라고 가정하면, 4.3 kHz 이하의 주파수에서┃N2(fp)┃/N2
ss=9×10-10
이다. 이 수치를 위상 변조로 변환하기 위해, 어븀-도핑된 광섬유에 흡수된 10 mW 펌프 파워가 1550㎚에서 대략 7 라디안의 위상 시프트를 유기한다는 사실이 이용될 수 있다. (가령, M.J.F. Digonnet 등의, Resonantly Enhanced nonlinearity in Doped Fibers For Low-Power All-Optical Switching:A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Vol. 3, No. 1, January 1997, pp. 44-64 참조.) 시뮬레이션을 사용하여, 전형적인 어븀-도핑된 광섬유 내의 10 mW의 흡수된 펌프 파워는 1550㎚에서 대략6dB의 작은 신호 이득을 제공하며, 이는 분산된 EDFA를 갖는 어레이 내의 각 증폭기에 요구되는 이득에 근접한다. (가령, Craig W. Hodgson 등의, Optimization of Large Scale fiber Sensor Arrays Incorporating Multiple Amplifiers-Part Ⅰ: Signal-to-Noise Ratio; Craig W. Hodgson 등의, Optimization of Large Scale fiber Sensor Arrays Incorporating Multiple Amplifiers-Part Ⅱ: Pump Power; Jefferson L. Wagner 등의, Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Amplifiers; 및 위에 언급된 C. W. Hodgson 등의, Large-scale interferometric fiber sensor arrays with multiple optical amplifiers를 참조.) 따라서, 각 증폭기는 대략 7 라디안의 Dc 위상 시프트를 제공한다. 비선형 위상 시프트가 상위 파퓰레이션, N2에 비례하기 때문에, △N2/N2
ss=△φ/φss로 기입될 수 있다. 이러한 관계식과 식 17 Is
ss=1 mW, Ip
ss=1W, Ip
m/Ip
ss=10-6/
및 fs<<4.3 kHz 에 대해 다시 적용하면, 각 EDFA에 의해 유기된 저-주파수 위상 노이즈는 (7 라디안)×(9×10-10)
= 6.3×10-9 rad/
이다. 이러한 증폭기가 총 500개가 있고 500개 증폭기로부터의 위상 변조가 동시에 합산된다고 가정하면, 총 펌프 노이즈 유기 위상 시프트는 3.2 μrad/
가 되는 것으로 추정될 수 있다. 타겟 위상 노이즈 플로어는 전형적으로 1μrad/
으로 설정되며, 이는 펌프 파워 변동에 따른 EDFA에 의해 유기된 비선형 위상 노이즈가, 요구되는 위상 노이즈 플로어에 근접하며 이보다 휠씬 크지는 않다는 것을 나타낸다. 실제로, 증폭기의 위상 변조는 동시에 합산되지 않으며, 이는 3.2μrad/
값을 감소시킬 것이다.
신호 파워 변동에 따른 유기된 위상 시프트의 계산은, 신호 파워가 강도 노이즈를 가질 뿐만 아니라 멀티플렉싱 기법에 의해 변조되기 때문에, 보다 복잡하다. TDM 케이스를 다시 고려할 때, 일반적으로, 소정 펄스가 특정 EDFA를 통해 진행하면서, 동시에 이 EDFA를 통해 진행하는 역-전파 펄스가 있거나 혹은 없을 수 있다. 항상 역-전파 펄스가 있는 최악의 경우를 가정하면, Is
m은 각 개별 펄스의 강도 노이즈의 2배이다. 증폭기들에 대해, Is
m은 전형적으로 각 개별 펄스의 강도 노이즈 1.5 내지 2배이다. 신호 광이 음향 주파수에서 120dB/
의 전자 SNR을 갖는다고 가정하고(즉, Is
m/Is
ss = 10-6/
), 이 수치를 Ip
ss=1W 및 Is
m= 2mW 와 함께 식 18에 대입하면, ┃N2(fs)┃/N2
ss 가 4.3 kHz 보다 매우 작은 주파수에서 대략 2.4×10-9
이고, 각 EDFA 내의 신호 강도 노이즈에 의해 유기된 위상 노이즈가 이 에 따라 1.68×10-8rad/
인 것으로 계산될 수 있다. 다시 500개의 증폭기, 및 모든 EDFA-유기된 위상 변조의 동시 합산을 가정하면, 각 펄스에 대한 총 EDFA 유기된 위상 노이즈는 사냑 센서 어레이의 성능을 다시 제한할 수 있는 레벨인 8.4 μrad/
가 된다. 그런데, 보다 정밀한 계산을 위해서는 멀티플렉싱 기법 및 이레이의 정확한 타이밍을 고려한 보다 상세한 연구가 필요하다.
사냑 어레이에 있어서의 멀티플렉싱 기법
시분할 멀티플렉싱
이제까지는 사냑 센서 어레이가 TDM 구성에서 작동되는 것으로 가정하였다. 사냑 센서 어레이에서, 이러한 TDM 시스템에 대한 소스 요건은 TDM 구성 내의 마하-젠더 인터페로메트릭 센서 어레이의 경우만큼이나 엄격하지는 않다. 그 이유는 사냑 센서 어레이 내의 브로드밴드 소스의 사용 때문이다. 마하-젠더 인터페로메트릭 센서 어레이 내에서, 인접한 가로대들로부터 광은 좁은 라인폭 소스로 인해 코히어런트하고, 따라서 멀티-경로 코히어런트 간섭을 방지하기 위해 입력 펄스에 대한 극도로 높은 흡광율이 요구된다. 이러한 높은 흡광율 요건은 다수의 변조기들을 직렬로 배치시킴으로써 달성되며, 결과적으로 복잡하고, 손실이 크며, 고가인 소스를 필요로 하게 된다. 사냑 센서 어레이에서, 브로드밴드 소스가 멀티-경로 코히어런트 간섭의 여하한 가능성도 제거하기 때문에 요구되는 흡광율은 높은 필요가 없다. 또한, 마하-젠더 인터페로메트릭 센서 어레이에 의해 요구되는 좁은 라인폭은 리튬 니오베이트 강도 변조기와 더불어 외부적으로 변조되는 연속파(cw) 레 이저 소스를 대신하는 펄스 레이저 소스의 사용을 방지할 수 있다. 사냑 센서 어레이에서, 외부적으로 변조된 연속파 ASE 소스, 펄스 ASE 소스, 또는 이들의 임의 조합 중 하나가 소스를 구성하기 위해 사용될 수 있다. 다시, 그 이유는 사냑 센서 어레이는 좁은 라인폭 소스를 필요로 하지 않는다는 것이다. 본 발명에서는 좁은 라인폭 소스를 필요로 하지는 않지만, 본 발명의 사냑 센서 어레이가 가령 레이저와 같은 좁은 라인폭 소스와 함께 사용될 수도 있음을 알아야 한다.
주파수 분할 멀티플렉싱
또한 브로드밴드 소스의 사용에 따라 사냑 센서 어레이가 설계 변경이나 추가 소스 없이 비-TDM 구성으로 동작할 수 있게 된다. 주파수 분할 멀티플렉싱(FDM)은 위상-생성 캐리어(PGC) 기법을 사용하는 마하-젠더 인터페로메트릭 센서 어레이와 함께 일반적으로 사용되지만, 또한 사냑 센서 어레이와 양립될 수 있다. 도 14는 FDM 기법을 사용하는 기본적인 사냑 센서 어레이(400)를 도시하고 있다. 광섬유 초형광 소스(SFS)(402)(또는 다른 브로드밴드 소스, 가령 LED)는 입력 광을 발생시킨다. 처프 주파수 발생기(406)에 의해 제어되는 강도 변조기(404)를 통해 입력 광에 처프 강도 변조가 인가된다. 변조된 광은 3×3 결합기(412)를 통해 센서 어레이로 진입한다. 이 광은 각 센서(418(i))를 구비하는 복수의 센싱 가로대(416(i)) 및 지연 루프(414)를 통과한다. 필요에 따라 비어 있는 가로대(도시 생략)가 포함될 수 있다. 지연 루프(414) 및 가로대(416(i))를 통과한 후, 센서 어레이(410)로부터 결합기(412)를 통해 나가며, 검출되는 광에 응답하여 전기 출력 신호를 발생시키는 검출기(420)에 의해 검출된다. 검출기(420)로 부터의 전기 출력 신호는 믹서(422) 내에서 처프 주파수를 시간 △t 만큼 지연시키는 지연기(424)에 의해 지연되는 시간인 동일한 처프 주파수와 함께 혼합된다. 도 14의 셋업에서, 믹서(422)의 출력이 스펙트럼 분석기(426)로 인가된다. 한 작동예에서, 믹서(422)의 출력은 어레이(410)에 부딪히는 음향 신호를 재생성하기 위해 믹서(422)의 출력을 분석하는 신호 처리 서브시스템(도시 생략)에 인가된다.
다양한 가로대(416(i)) 내의 센서(418(i))로부터 복귀하는 신호들은 지연된 처프 주파수에 대해 추가로 지연된다. 이것이 최초 처프 주파수(450), 지연기(424)로부터의 지연된 처프 주파수(452), 제1 가로대로부터의 처프 복귀 신호(460), 제2 가로대로부터의 처프 복귀 신호(462) 및 제3 가로대로부터의 처프 복귀 신호(464)에 의해 도 15의 그래프에 도시되고 있다. 믹서(422)에서, 분리된 각 비트 주파수 fb1(470), fb2(472), fb3(474)는(도 14에 도시됨), 혼합 처프 주파수(452)와 사냑 센서 어레이(410) 내의 다양한 가로대로부터 복귀하는 각 신호 사이에서 형성된다. (가령, S.F. Collins 등의, A Multiplexing Scheme For Optical Fibre Interferometric Sensors Using An FMCW Generated Carrier, OFS '92 Conference Proceedings, pp. 209-211 참조.) 도 15에는 단지 3개의 처프 복귀 신호(460, 462, 464)만이 도시되고 있지만, N개까지의 복귀 신호가 제공되는 것을 생각할 수 있으며, 여기서 N은 어레이(410) 내의 가로대들의 수이다. N번째 가로대로부터의 처프 복귀 신호는 믹서(422) 내에 비트 주파수(fbN)를 야기한다.
도 14에서 스펙트럼 출력의 형상으로 도시되는 바와 같이, 신호들의 음향 변 조는 비트 주파수에 상측 사이드밴드(480, 481, 482) 및 하측 사이드밴드(484, 485, 486)로서 나타날 것이다. 이러한 FDM 기법의 장점은 어레이 타이밍에 대한 수요가 TDM 시스템에서 요구되는 것에 대해 매우 이완된다는 것이다. TDM 시스템은 펄스가 오버래핑되는 것을 방지하기 위해 인접한 가로대들 간에 특정 지연을 필요로 하며, 이에 따라 요구하는 공학적 문제를 제공할 수 있게 된다. FDM에서, 광섬유 길이의 변동은 비트 주파수를 시프트시키지만, 이들 비트 주파수가 음향 검출 범위의 2배에 의해 분리되는 한은 신호들 간의 오버랩을 포함하지는 않는다. 후자는 적절한 칩 레이트를 선택함으로써 달성된다. TDM 시스템에서와는 달리, 모든 경로는 항상 광을 복귀시키며, 이에 따라 상이한 인코히어런트 신호들 간의 위상 노이즈가 야기된다. 브로드밴드 ASE 광 소스는 이러한 위상 노이즈가 크기를 축소하게 된다. (가령, Moslehi의, Analysis of Optical Phase Noise in Fiber-Optic Systems Employing a Laser Source with Arbitrary Coherence Time, Journal of Lightwave Technology, Vol. LT-4, No. 9, 1986 가을호, pp. 1334-1351 참조.)
코드 분할 멀티플렉싱
코드 분할 멀티플렉싱(CDM)은 센서 어레이에서 사용에 있어 최근 주목받고 있다. (가령, A. D. Kersey 등의, Code-division Multiplexed Interferometric Array With Phase Noise Reduction And Low , OFS '92 Conference Proceedings, pp. 266-269; 및 H. S. Al-Raweshidy 등의, Spread spectrum technique for passive multiplexing of interferometric optical fibre sensors, SPIE, Vol. 1314 Fibre Optics '90, pp. 342-347 참조.) 도 16의 사냑 센서 어레이(600)에 대해 설명한 바와 같이, CDM에서, 광섬유 초형광 소스(602)(또는 LED와 같은 다른 브로드밴드 소스)로부터의 입력 광은 코드 발생기(606)에 의해 발생되는 의사-랜덤에 따라 강도 변조기(604)에서 변조된다. 변조된 광은 3×3 결합기(610)를 통해 인터페로메트릭 루프(608)에 인가되며 어레이(612) 내의 복수의 가로대(616(i)) 및 지연 루프(614)를 통해 전파한다. 설명된 실시예에서, 각 가로대(616(i))는 개별 센서(618(i))를 포함한다. 필요에 따라 비어 있는 가로대(도시되지 않음)가 포함될 수 있다. 이 광은 루프로부터 3×3 결합기(610)를 통해 복귀하며 검출기(620)에 의해 검출된다. 검출기(620)의 전기 출력은 코드 발생기(606)의 출력과 함께 상관기(622)에 인가되면, 그 출력은 지연기(624)에 의해 τcor 시간 동안 지연된다. 의사-랜덤 코드의 비트 시간은 어레이(612) 내의 인접 가로대 간의 전파 지연 보다 짧게 된다. τcor가 개별 가로대(616(i))를 통한 루프 진행 시간 τi 와 같게 되면, 가로대(616(i)) 내에서 이 센서로부터 복귀하는 신호는 지연된 의사-랜덤 코드와 상관된다. 나머지 신호들은 ｜τj-τl｜> τbit 인 지연 τj를 가지며, 0에 상관한다. 이러한 상관 프로세스는, 가령, 상관 코드가 온인지 오프인지에 따라 검출된 신호에 1 또는 -1을 곱하는 과정(또는 전자 게이트(630) 내의 신호를 차동 증폭기(632)의 비-반전 및 반전 입력에 게이팅함)을 포함한다. 라인(634) 상의 차동 증폭기의 출력은 상관된 출력이다. 신호는 코드의 주기에 해당하는 tavg 기간에 대해 시간 평균된다. 비상관 신호는 0까지 시간 평균되고, 이에 따라 센서(618(i))로부터 신호 를 분리하게 된다. τcor가 주사되어 모든 센서들로부터의 신호들을 순차로 검색한다.
TDM에 대한 CDM의 장점은, 센서들 간의 지연은 정밀하게 제어될 필요가 없다는 것이다. ┃τj- τj ±1┃> τbit 인 임의의 루프 지연 τj
가 받아들여질 수 있다(여기서 τbit는 코드 내의 펄스의 주기임). 상관은 τj'에 대한 인지를 필요로 하며, 이는 용이하게 측정될 수 있다. FDM과 마찬가지로, 브로드밴드 소스를 사용함으로써 모든 신호들을 함께 합산하는 것으로부터 야기되는 위상 노이즈를 감소시킬 수 있게 된다.
사냑 간섭계에 기초한 음향 센서 어레이에 대한 신규한 설계에 관하여 설명하였다. 이러한 설계의 주된 장점은 공통-경로 간섭계의 사용이다. 이에 따르면, 마하-젠더 인터페로메트릭 센서들에 흔한 소스 위상 노이즈의 강도 노이즈로의 변환을 방지하게 되며, 저렴하고 높은 파워의 ASE 소스 또는 다른 브로드밴드 소스의 사용을 가능하게 한다. 음향 주파수의 함수로서 사냑 센서 어레이의 응답이 오션 노이즈 플로어와 매치시켜 도시된다. 또한 이 설계에 따르면 하나의 추가적인 매우 짧은 지연 루프를 사용함으로써 하이드로폰을 추가하지 않고서 다이나믹 레인지가 상당히 증가하게 된다. 편광-유기된 신호 페이딩을 제거하는 기술이 설명되었다. 또한 사냑 센서 어레이는 표준 마하-젠더 어레이에 의해 달성 가능한 것보다 단순한 형식으로 몇 가지 멀티플렉싱 기법의 사용을 가능하게 한다. 이러한 특징 때문에, 사냑 센서 어레이 설계는 마하-젠더-간섭계-기반 센서 어레이에 매우 훌륭 한 대안을 제공하게 된다.
폴드된 사냑 센서 어레이
도 17 내지 도 20은 사냑 효과에 기초한 분산 음향 센서 어레이의 대안적 실시예를 나타내며, 이는 다운리드 광섬유로부터 분산된 픽업을 감소시키도록 개선된 아키텍쳐를 갖는다. 특히, 도 17은 소스(702), 제1 검출기(704) 및 제2 검출기(706)를 포함하는 기본적인 폴드된 사냑 음향 광섬유 센서 어레이(700)를 도시하고 있다. 바람직하게는, 소스(702), 제1 검출기(704) 및 제2 검출기(706)는 센서 어레이(700)의 물에 잠기지 않는 단부(가령, 해안 상에 또는 선박 상의) 내에 위치된다.
소스(702)는 다운리드 광섬유(708)를 통해 3×3 결합기(710)에 결합된 광 펄스들을 생성한다. 도시된 바와 같이, 3×3 결합기(710)는 물에 잠기는 단부(가령, 해저에 근접함) 내에 위치된다. 3×3 결합기(710)는 공통 광섬유 가로대( 가로대 0)(712)의 한 단자에 접속된 제1 출력 포트를 가지며, 어레이(716)의 제1 어레이 입출력 광섬유(714)에 결합된 제2 출력 포트를 가지고, 비-반사적으로 종료된 제3 출력 포트를 갖는다. 소스(702)로부터의 광의 대략 33 퍼센트는 3×3 결합기의 제1 및 제2 포트 각각에 결합되며 따라서 광의 대략 33 퍼센트가 공통 광섬유 가로대(712)로 전파되고 광의 대략 33 퍼센트가 어레이(716)로 전파된다. 전술한 바와 같이, 비록 3×3 결합기(710)로서 본 명세서 설명되었지만, 다른 n×m 결합기(가령, 2×2 결합기, 4×4 결합기 등)가 도 17의 실시예 및 이하에 설명되는 본 발명의 대안적 실시예들과 함께 사용될 수 있다.
어레이(716)는 제1 입출력 어레이 광섬유(714) 및 제2 어레이 입출력 광섬유(720) 간에 결합된 복수의 가로대(718(i))(즉, 718(10, 718(2),...718(N))를 포함한다. 각 가로대(718(i))는 개별 음향 센서(즉, 하이드로폰)(722(i))를 포함한다. 어레이(716)는 도 3과 관련하여 설명된 바와 같은 분산된 어븀 도핑된 광섬유 증폭기(EDFA)(724)를 포함한다. (EDFA(724)에 대한 펌프 소스는 도 17에는 도시되지 않음.) 본 명세서에는 어레이(716)와 관련하여 설명되고 있지만, 또한 다른 어레이 구성이 본 발명에서 사용될 수 있다.
제2 어레이 입출력 광섬유(720)는 어레이(716)를 2×2 결합기(730)의 제1 포트에 결합시킨다. 공통 가로대(가로대 0)(712)의 제2 엔드는 2×2 결합기(730)의 제2 포트에 결합된다. 본 명세서에서 복수의 센서(722(i))를 포함하는 어레이(716)로 설명하였지만, 본 발명은 단지 하나의 센서(722)를 갖는 센서 시스템에 대한 어플리케이션을 갖는다는 점을 알아야 한다.
2×2 결합기(730)의 제3 포트는 단자(732)에서 비반사적으로 종료된다. 2×2 결합기(730)의 제4 포트가 지연 루프 다운리드 광섬유(740)에 결합된다. 지연 루프 다운리드 광섬유(740)는 2×2 결합기의 제4 포트를 지연 루프(750)의 제2 단부에 결합한다. 지연 루프(750)는 도시된 바와 같이 물에 잠기지 않는 단부 또는 물에 잠기는 단부에 위치될 수 있다. 지연 루프(750)의 제2 엔드가 반사기(753)에 결합되어, 지연 루프(750)의 제2 엔드로부터 나오는 광이 지연 루프(750)로 반사되고, 지연 루프(750)를 통해 전파되고 지연 루프 다운리드 광섬유(74)를 통해 2×2 결합기(730)의 제4 포트로 되돌아가게 된다. 루프 다운리드 광섬유(740)로부터 복귀하는 광은 3×3 결합기(710)를 향해 전파하는 두 부분을 갖는 어레이(716) 내에서 그리고 공통 가로대(712) 내에서 전파하는 실질적으로 등가 부분과 함께 2×2 결합기(730)에 의해 분할된다. 2 부분은 3×3 결합기(710)에서 결합되며, 어레이(716)를 통해 그리고 공통 가로대(712)를 통해 동일 거리를 진행하는 광 펄스들은 간섭하고, 서로 다른 거리를 진행하는 광 펄스들은 간섭하지 않는다. 간섭된 신호들은 각각 제1 검출기 다운리드 광섬유(770)를 통해 제1 검출기(704)로 전파하고 제2 검출기 다운리드 광섬유(772)를 통해 제2 검출기(706)로 전파하는 제1 및 제2 출력 신호들로서 3×3 결합기(710)로부터 출력된다. 검출기(704, 706)는 종래 방식으로 전자(도시 생략)에 의해 분석되는 전기 출력 신호를 발생시켜 센서(722(i))에 타격되는 음향 신호들을 재생성하게 된다. 이하 설명되는 바와 같이, 3×3 결합기(710) 내에서 간섭하는 신호들은 다른 시각에서 각 센서(722(i))로부터 복귀하며, 따라서 전술한 시분할 멀티플렉싱, 주파수 멀티플렉싱, 코드 분할 멀티플렉싱 등에 의해 분할될 수 있다. 비간섭 신호들은 검출될 수 있는 출력 신호를 발생시키지 않으며 무시된다.
도 17의 실시예는 사냑 간섭계와 더불어 전술한 바와 같이, 비편광 소스와 함께 광섬유 세그먼트(712, 714 또는 720) 중 하나에 편광 해제기(도시 생략)를 삽입함으로써 개선될 수 있다. 이 실시예는 도 23A, 도 23B 및 도 23C와 함께 이하 설명될 것이다.
소스(702)로부터의 단일 펄스 내의 광은 센서 어레이(700)를 통해 추적될 것이다. 소스(702)로부터의 소스 펄스는 런칭되고 아래 소스 다운리드(708)쪽으로 3 ×3 결합기(710)를 통해 공통 가로대(712)로 그리고 어레이(716)로 진행한다. 이와 함께, 어레이(716) 내의 공통 가로대(712) 및 N개 가로대(718(i))는 소스 펄스들에 대한 N+1개의 분리된 경로를 제공하여 2×2 결합기(730)로 진행한다. 진행하기 위한 소스 펄스를 위한 N+1개의 분리된 펄스가 있기 때문에, 소스 펄스는 2×2 결합기(730)를 통과하며 지연 루프(750)로 아래 지연 루프 다운리드(740)쪽으로 진행하는 N+1개의 분리된 펄스로 분할된다. 지연 루프(750)를 통과한 후, N+1개 펄스가 반사기(752)에 의해 반사되며 지연 루프(750)를 통해 뒤로 전파하고, 지연 루프 다운리드(740) 아래 N+1 분리된 펄스와 마찬가지로 물에 잠기는 단부 내의 2×2 결합기(730)로 향한다. N+1개 펄스 각각은 다시 공통 가로대(712) 및 N개 가로대(718(i)) 내의 N+1개 펄스로 분할된다. 공통 가로대(712) 및 가로대(718(i)) 통해 되돌아 간 후, (N+1)2개의 펄스들이 3×3 결합기(710) 내에서 결합되고 물에 잠기지 않는 단부의 검출기 다운리드(770, 772)로 되돌아가며, 펄스들은 제1 및 제2 검출기(704, 706)에 의해 검출되고 분석된다.
소스(702)로부터 반사기(752)까지 그리고 이후 검출기(704, 706)까지의 경로의 (N+1)2개 가능한 분리 조합이 있기 때문에, (N+1)2개의 복귀 펄스가 있게 된다. 사용 가능한 방식으로 간섭하게 될 펄스들은 정확히 동일한 경로 길이를 반대 순서로 전파하는 펄스들이 쌍이다. 다음의 설명의 위한 목적으로, 펄스는 2개의 숫자에 의해 식별되며, 제1 숫자는 소스(702)로부터 반사기(752)까지의 펄스에 의해 취하여 지는 경로를 나타내고, 제2 숫자는 반사기(752)로부터 뒤쪽의 검출기(704, 706)까지의 펄스에 의해 취하여 지는 경로를 나타낸다. 가령, 펄스(0,1)는 공통 가로대(가로대 0)(712)를 통하고, 지연 루프(750)를 통하며, 반사기(752)까지, 그리고 뒤로 지연 루프(752), 가로대(718(1))를 통해 진행한다. 펄스(1,0)는 먼저 가로대(718(1))를 통하고, 지연 루프(750)를 통해, 반사기(752)까지 진행하고, 뒤로 지연 루프(750)를 거쳐, 공통 가로대(가로대 0)(712)를 통해 진행한다. 펄스(0,1)에 의해 진행되는 거리가 펄스(1,0)에 의해 진행하는 거리와 동일하기 때문에, 펄스(1,0)와 펄스(0,1)는 3×3 결합기(710)에 의해 결합될 때 간섭하며 이에 따라 전술한 사냑 간섭계와 동일한 방식으로 공통-경로 인터미터(즉, 폴드된 사냑 간섭계)를 정의하게 된다. 음향 센싱은 음향 변조에 응답하는 가로대(1) 내에 위치되는 하이드로폰(722(1))으로부터 야기된다. 간섭하는 펄스(0,1) 및 (1,0)은 하이드로폰(722(1))을 서로 다른 시각에서 시인하며, 이에 따라 하이드로폰(722(1))의 시간 변동하는 음향 변조에 따라 위상 차이를 픽업할 수 있게 된다. 3×3 결합기(710)에서, 이러한 위상 차이는 검출기 다운리드(770, 772) 아래로 검출기(704, 706)까지 전송되는 강도 변조로 변환된다. 동일한 효과가 펄스((0,2) 및 (2,0)), 그리고 펄스((0,3) 및 (3,0))에 대해 발생된다.
폴드된 사냑 간섭계가 공통-경로이기 때문에, 소스(702)는 짧은 코히어런스 경로를 갖게 되며, 이는 거의 동일한 경로를 진행하는 펄스들 간에 간섭이 일어난다는 것을 의미한다. 따라서, 펄스(i,j)는 단지 펄스(j,i)와 간섭하게 된다. 전술한 바와 같이, 연관되는 N개 간섭계(펄스(0,i)는 펄스(i,0)와 간섭하며, i=1 에서 N까지임)가 있게 된다. 또한 공통 가로대(712)를 포함하지 않는 다수의 다른 간섭계(가령, 펄스(2,1)와 간섭하는 펄스(1,2) 및 펄스(3,1)와 간섭하는 펄스(1,3) 등)가 존재한다. 이러한 간섭 펄스들은 유용한 펄스에 노이즈를 부여하며, 본 명세서에서 노이즈 펄스라 한다. 이러한 노이즈 펄스는 2가지 유형이 노이즈를 전달하게 된다. 모든 펄스와 마찬가지로, 이들은 추가의 짧은 노이즈, ASE-신호 비트 노이즈(증폭된 어레이 내의), 위상 노이즈 등을 전달하며, 검출되는 노이즈를 증가시키게 된다. 원하지 않는 간섭계(펄스(2,1)와 간섭하는 펄스(1,2) 등)를 형성하는 노이즈 펄스들은 또한 음향파의 간섭계 센싱에 따른 강도 변조를 전달한다. 이러한 강도 변조는 원하지 않는 신호이며 노이즈의 소스로서 간주된다. 이러한 원하지 않는 간섭계가 간섭점으로서 결합기(280(1) 내지 280(N))를 가지며, 가로대(218(1) 내지 218(N)이 어레이(716)의 제1 입출력 광섬유(714)에 결합되며, 반면 신호 펄스들은 3×3 결합기(710)에서 간섭함을 인식하는 것은 매우 중요한 것이다. 노이즈 펄스들이 3×3 결합기(710)에 달하기 전에 간섭하기 때문에, 노이즈 펄스들의 강도 변조는 양 검출기(704 및 706)에 대칭적으로 제공된다. 3×3 결합기(710)에서 간섭하는 신호 펄스들은 대칭적인 강도 변조를 생성한다. 따라서, 검출기(704, 706)로부터의 전류들을 차동 증폭함으로써, 신호 펄스들의 강도 변조는 합산되고, 노이즈 펄스들의 강도 변조는 감산되고, 이에 따라 원하지 않는 간섭계의 노이즈 기여는 감소된다.
이들 노이즈 펄스들에 의해 합산되는 모든 노이즈를 완전히 제거하기 위해, 연관된 펄스들이 시분할 멀티플렉싱 기법을 사용하고 지연 길이를 적절하게 선택함으로써 노이즈 펄스들로부터 분리될 수 있다. 특히, 3×3 결합기(710)로부터 공통 가로대(712)를 통과하여 2×2 결합기(730)에 이르는 광 경로 길이는 전파 시간 τ에 대응하도록 선택된다. 3×3 결합기로부터 결합기(780(1))까지, 제1 가로대(718(1))를 통해, 대응하는 결합기(790(1))까지 그리고 2×2 결합기(730)까지의 광섬유 부분의 광 경로 길이는 (N+1)τ가 되도록 선택된다. 광 경로 길이의 일부는 3×3 결합기(710)로부터 결합기(780(1))까지, 그리고 결합기(790(1))로부터 2×2 결합기(730)까지의 공통 경로이고, 광 경로 길이의 일부는 가로대(718(1))를 통하는 것이다. 각 가로대(718(i)을 통한 광 경로 길이는 바람직하게는 대략 동일하게 선택된다. 결합기(780(1))로부터 결합기(780(2))까지의 광 경로, 및 결합기(790(2))로부터 결합기(790(1))까지의 광 경로의 총 길이는 τ로 선택되며, 이에 따라 3×3 결합기(710)로부터 제2 가로대(718(2))를 통하여 2×2 결합기(730)까지의 총 광 경로 길이는 3×3 결합기(710)로부터 제1 가로대(718(1))를 통하여 2×2 결합기(730)까지의 총 광 경로 길이보다 τ만큼 길게 된다(즉, 제2 가로대(718(2))를 통한 2 결합기(710, 730) 간의 총 광 경로 길이는 (N+2)τ가 됨). 이어지는 각 총 추가 광 경로 길이는 τ로 선택된다. 따라서, 3×3 결합기(710)로부터 가로대(718(i))를 거쳐 2×2 결합기(730)까지의 광의 진행 시간은 가로대(718(i))의 지연 시간(Ti)으로 정의된다.
전술한 설명에 따라, Ti는 다음과 같이 가로대들을 통한 광 경로 길이에 의해 결정된다:
Ti=τ i=0 (공통 가로대 712에 대해)
Ti=(N+1)τ 1≤i ≤N (각 센싱 가로대 718(1), 718(2) 등에 대해)
전술한 결과로부터, 가장 먼 가로대 N을 통한 광 경로 길이가 (N+N)τ 또는 2Nτ임을 알 수 있다.
각각의 펄스의 지속기간은 τ보다 크기 않게 선택된다. 따라서, 도 18에 도시된 바와 같이, 3x3 결합기(710)로 복귀되는 제1 펄스(800)는 공통 가로대(712)(즉, 가로대 0)를 통해 소스(702)로부터 반사기(752)로 이동하는 펄스일 것이다. 이러한 펄스는 2τ의 전체 전파시간을 갖는다. (전파 시간에 비해, 지연 루프(750)를 통해 반사기(752)로의 각각의 펄스의 전파 시간은 무시되는데 이는 전파 시간이 모든 펄스에 대해 공통이며 도 18의 타이밍도에 대한 오프셋 (도시생략)으로서 간단히 동작하기 때문이다.) 검출기들(702, 706)로 복귀되는 펄스들의 다음 세트(810)는 한 방향에서 공통 가로대(712)를 통해 이동하고 반대 방향에서 센싱 가로대 718(i)를 통해 이동하는 펄스들이다. (즉, 펄스들 0, 1, 및 1, 0; 0, 2 및 2, 0; 0, 3 및 3, 0 내지 0, N 및 N, 0.) 이러한 펄스들은 2τ+Nτ, 3τ+Nτ, 4τ+Nτ 내지 (N+1)τ+Nτ를 갖는다. 따라서, 모든 유용한 펄스들이 시간(N+2)τ 및 시간 (2N+2)τ 사이에서 수신된다. (수신되는 최종 펄스의 지속기간 τ 포함) 반대로, 양 방향에서 센싱 가로대 718(i)을 통해 이동하는 간섭 펄스들(즉, 펄스들, 1,1, 1,2, 및 2,1, 1,3 및 3,1 ... 2,2, 2,3, 및 3,2 ... 등)은 시간 2(N+2)τ와 시간 (4N+1)τ 사이에서 한 세트의 펄스들(820)로서 수신된다. 따라서, 신호 펄스는 잡음 펄스와 분리된다.
예를 들어, 도 18에서, 시간 함수로서의 복귀된 펄스 수가 N=50에 대해 도시된다. 도시된 바와 같이, 단일 펄스가 시간 2τ에서 수신된다. 이후에, 간격 3τ 내지 52τ 동안 펄스가 수신되지 않는다. 다음에, 52τ부터 102τ까지 2개의 펄스가 각각의 시간 간격 동안에 수신된다. 다음에 잡음 펄스가 시간 102τ로부터 시간 201τ로 복귀한다. 이러한 방식으로, 신호 펄스가 잡음 펄스로부터 시간 분리되어, 잡음 펄스가 잡음을 신호 펄스에 합하는 것이 방지된다. 전자 장치(도시되지 않음)가 시간 52τ와 시간 102τ 사이에서 수신되는 펄스들에만 탐색하도록 쉽게 동기된다.
소스(702)는 이전의 펄스에 대해 150τ의 시간 간격에서 다음의 펄스를 전송하도록 동작될 수 있는데, 이는 다음의 펄스에 응답하여 0τ 내지 50τ 간격이 이전의 소스 펄스에 응답하여 복귀하는 잡음 펄스의 150τ 내지 200τ 간격을 중첩시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 사용 가능한 펄스의 다음 세트(830)는 시간(201)에 도달하기 시작할 수 있다. 그러므로, 도 17 및 도 18의 실시예는 사용 가능한 신호 정보에 대해 대략 1/3의 전체 의무 주기를 갖는다.
이전의 도면들에 도시된 사냑 루프 위의 폴디드 사냑 음향 광섬유 센서(700)의 장점은 지연 광섬유(750)가 변조에 민감하지 않다는 것이다. 다운리드가 종종 길게 존재하여 큰 이동 및 진동을 받기 때문에, 분산 다운리드 픽업은 사냑 음향 광섬유 센서에 대해 잠재적으로 심각한 제한이다. 폴디드 사냑 음향 광섬유 센서(700)에서, 소스(708) 및 검출기 다운리드(770, 772)는 그들이 간섭계 외부에서 발생하기 때문에 민감하지 않다. 지연 루프 다운리드(740)는 모든 간섭 펄스가 작은 시간 지연 (대략 1 마이크로초)만큼 분리된 동일 광섬유를 이동하여 동일한 섭동을 보이게 하기 때문에 민감하지 않다. 지연 루프 다운리드 및 지연 루프 그 자체에 대한 임의의 낮은 주파수 (대략 1MHz보다 훨씬 작은) 변조는 실질적으로 간섭 펄스들 양자 모두에서 동일하게 보여지므로 위상차에 기여하지 않는다. 어레이부(716) 및 공통 가로대(712)는 단지 간섭계(700) 내에 감광 광섬유만을 포함한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 원격으로 펌핑된 분산 어븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA들)(724)는 상술한 바와 같이 전력을 재생성하도록 어레이(216)를 통해 배치될 수 있다.
3x3 결합기(710)는 구 근방에서 센서 722(i)_를 수동적으로 바이어싱하여 소스 잡음이 감소되도록 하는 데 사용된다. 잡음 감소는 각각의 검출기(704, 706)가 반대 기울기로 바이어싱된다는 사실로부터 발생하여 (3x3 결합기(710)에서 나오는 신호가 서로에 대에 페이스되는 방식이기 때문임), 각각의 검출기에서 세기에 비대칭적으로 영향을 미치는 위상 변조를 야기하며, 소스 과도 잡음이 대칭적으로 각각의 검출기에서 세기에 영향을 미친다. 그러므로, 검출기 출력을 차동적으로 증폭시킴으로써, 우상 변조 유도 세기 변동이 추가되고 소스의 세기 잡음이 원하지 않는 간섭계로부터의 신호가 차감되는 방식으로 감해진다.
도 17 및 도 18에 대해, 유사한 시분할 다중화 효과가 공통 가로대(712)를 통한 보다 긴 광 경로 길이와 센싱 가로대 718(i)을 통한 보다 짧은 광 경로 길이를 제공함으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, 공통 가로대(712)는 유리하게 2N τ(즉, T0=2N)의 광 경로 길이를 갖도록 선택될 수 있으며, 가로대들을 통한 광 경로는 유리하게 τ, 2τ, 3τ, ... Nτ로 되도록 선택될 수 있다. 이는 다음과 같이 요약될 수 있다.
Ti=2Nτ i=0 (공통 가로대 712에 대해)
Ti=iτ 1≤i≤N (센싱 가로대 718(1), 718(2) 등의 각각에 대해)
따라서, 복귀하는 제1 신호는 양 방향에서 제1 가로대 718(1)을 통해 통과하도록 요구되는 시간인 2τ의 광 전파 시간(다시 모든 신호들에 공통인 지연 루프(750)를 통한 전파 시간을 차감함)을 가질 것이다. 양 방향에서 센싱 가로대들 718(i) 중 하나를 통과하는 임의의 신호의 가장 긴 지연은 가장 먼 센싱 가로대 718(N)을 통해 양 방향으로 이동하는 신호 펄스에 대해 2N이다. 복귀하는 제1 사용가능 시호는 공통 가로대(712)를 통해 반사기로 이동하고 제1 센싱 가로대 718(i)을 통해 복귀하는 신호의 간섭으로부터 발생한 신호이다. 간섭 신호는 최종의 원하지 않는 신호 이후의 시간 (2N+1)τ에서 도달할 것이다. 최종의 사용 가능한 신호는 시간 (2N+N)τ(즉, 3Nτ)에서 도달할 것이다. 최종적으로, 공통 가로대(712) 내의 반사기로 그리고 반사기로부터 이동하는 펄스에 의해 생성된 신호는 사용 가능한 간섭 신호가 분리되는 시간 4Nτ에서 도달한다.
음향 센서는 가능한 한 큰 동적 범위(검출 가능한 음향 변조 진폭의 범위)를 갖는 것이 바람직하다. 위상 생성 캐리어 기법과 같은 복조 기술을 사용하지 않으면서, 최소 검출 가능 위상 변조가 어레이의 잡음 성능에 의해 설정되고, 최대 검 출 가능 위상 변조(대략 1 rad)가 간섭계의 비선형 응답 함수에 의해 설정된다. 마하젠더 센서에서, 위상 변조에 대한 음향 변조의 맵핑은 하이드로폰의 응답성만의 함수이다. 따라서, 음향 변조를 위상 변조로 맵핑하는 것에 따르는 검출 가능 위상 변조에 대한 제한은 센서가 검출할 수 있는 음향 변조의 범위를 제공한다.
폴디드 사냑 음향 광섬유 센서 어레이에서, 음향 변조를 위상 변조로 맵핑하는 것은 하이드로폰(센서) 722(i) 각각의 응답성과 지연 루프(750)의 길이 양자 모두의 함수이다. 따라서, 지연 루프(750)의 길이를 변화시킴으로써, 센서들 722(i)의 동적 범위가 하이드로폰 722(i) 자체를 변경하지 않으면서 조정될 수 있다. 또한, 2개의 반사기 742(1) 및 752(2)가 사용된다면, 각각의 센서 718(i)는 도 19에 도시된 바와 같이 2개의 상이한 지연 루프 750(1) 및 750(2)를 가질 수 있다. 이는 각각의 센서 722(i)가 도 7 및 8에 대해 위에서 논의된 바와 같은 상이한 동적 범위들을 갖는 2개의 신호들을 복귀시키도록 하여, 각각의 센서 722(i)의 전체 동적 범위를 현저히 증가시킨다. 페널티는 1/(지연 루프의 수)의 인자만큼 각각의 개별적인 신호에 대한 의무 주기의 감소이다.
도 20은 광섬유 자이로스코프에 사용된 기술과 유사한 위상-널링 기술을 구현한 센서(900)를 도시하고 있다. 도 17의 지연 루프 반사기(752)는 도 20의 센서(900)에 사용된다. 오히려, 펄스는 복귀 다운리드(910)를 통해 2x2 결합기(730)의 이전에 사용되지 않은 포트로 대신 복귀된다. 광 아이솔레이터(912)가 복귀 다운리드(910)에 삽입되어 광이 양 방향에서 지연 루프(750)를 이동하는 것을 방지한다. 도 20의 센서(900)는 반사기(752)를 갖는 도 17의 센서(700)와 동일하게 동작한다. 위상 변조기(920)는 각각의 펄스에 대해 개별적으로 위상 시프트를 추가하도록 동작된다. 검출된 위상 시프트를 차동 증폭기(922)를 통해 위상 변조기(920)로 공급함으로써, 위상 변화는 널아웃되고, 위상 변조기(920)에서 요구되어 적용된 위상 시프트는 신호가 된다. 이러한 위상 널링방법에서, 어레이(900)의 동적 범위가 위상 변조기(920)가 제공할 수 있는 최대 위상 시프트에 의해서만 제한된다.
도 21은 2개의 지연 루프 750(1) 및 750(2)가 동일한 지연 루프 다운리드에 접속되지 않은 도 19의 다른 실시예를 도시하고 있다. 오히려, 제1 지연 루프 750(i)의 제1 단부는 도 19에서와 같이 2x2 결합기(730)의 제4 포트에 접속된 제1 지연 다운리드 740(1)에 접속된다. 제1 지연 루프 750(1)의 제2 단부는 이전과 같이 제1 반사기 752(i)에 결합된다. 제2 지연 루프 750(2)의 제1 단부는 제2 지연 루프 다운리드 740(2)를 통해 2x2 결합기(730)의 제3 포트에 결합되며, 제2 지연 루프 750(2)의 제2 단부는 제2 반사기 752(2)에 결합된다. 2x2 결합기(730)의 대략 절반은 다운리드들 740(1), 740(2) 각각에 결합된다. 각각의 다운리드 740(1), 740(2) 내의 광은 각각의 지연 루프 750(1), 750(2)에서 지연되어 다시 이전과 같이 2x2 결합기(730)로 반사된다. 반사된 광은 공통 가로대(712) 및 어레이(716)에 결합된다. 지연 루프 750(1), 750(2)의 지연은 제1 지연 루프 750(1)를 통하는 2x2 결합기(730)의 제4 포트로부터 전파하는 N+1 펄스들 중 어느 것도 제2 지연 루프 750(2)를 통하는 2x2 결합기(730)의 제3 포트로부터 전파하는 N+1 펄스중 임의의 펄스와 시간 중첩되지 않도록 선택된다. 따라서, 도 21의 실시예는 도 19의 실 시예와 유사한 기능을 제공한다. 그러나, 도 21의 실시예는 도 19의 2x2 결합기(730)의 제3 포트로부터 결합되었던 광을 사용한다.
도 22는 폴디드 사냑 센서 어레이를 사용한 광섬유 음향 센서 시스템(1000)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 시스템(1000)에서, 소스(1004)는 X-편광기(1008)에 의해 2x2 편광 유지 결합기(1006)의 제1 포트에 결합된다. 검출기(1002)는 X-편광기(1010)를 통해 2x2 결합기(1006)의 제2 포트에 연결된다. 제2 검출기(도시생략)는 소스(1004)로 유도하는 광섬유로부터의 광을 결합시킴으로써 도 22의 실시예에 포함될 수 있다. X-편광기(1008)는 단지 제1 편광(예를 들어, X-편광)을 갖는 소스(1004)로부터의 광만을 통과시킨다. 따라서, 편광 유지 결합기(1006)는 소스(1004)로부터 X-편광을 갖는 광을 수광하여 이 광을 제3 포트를 통해 공통 가로대(1020) l 및 제4 포트를 통해 센서 어레이(1022)에 결합시킨다. 센서 어레이(1022)는 도 17의 센서 어레이(716)와 유사한 구조를 가지며, 유사한 소자들이 적절하게 번호 부여되었다.
2개의 X-편광기(1008, 1010)는 시스템(1000) 내의 다른 위치에서 하나 이상의 X-편광기에 의해 대체될 수 있다.
공통 가로대(1020)는 X-편광기(1030)를 통해 제2 편광 유지 2x2 결합기(1032)의 제1 포트에 결합된다. 어레이(1022)로 전파하는 광은 먼저 편광 해제기(1034)를 통과하고 다음에 제1 입력/출력 광섬유(714)로 통과한다. 편광 해제기(1034)는 X 편광된 광의 실질적으로 동일한 양을 Y 편광된 광에 결합시킨다. 따라서, 대략 광의 50 퍼센트가 X-편광된 광으로서 어레이(1022) 내로 전파하고, 대략 50퍼센트는 Y-편광된 광으로서 어레이(1022)로 전파한다.
어레이(1022)의 가로대들을 통과한 후에, 광은 제2 입력/출력 광섬유(720) 및 Y-편광기(1040)를 통해 제2 결합기(1032)의 제2 포트로 전파한다. Y-편광기(1040)는 단지 Y-편광된 광만이 제2 결합기(1032)로 진입하도록 한다. 결합기(1032)는 어레이(1022)로부터의 광과 공통 가로대(1020)로부터의 광을 조합한다. 결합기(1032)로 진입하는 광의 대략 절반은 결합기(1032)의 제3 포트를 통해 광 흡수 단자(1042)로 결합되고, 광의 대략 절반은 광을 지연 루프(1052)의 제1 단부로 전파시키는 다운리드 광섬유(1050)에 결합된다.
광은 지연 루프(1052)를 통해 패러데이 회전 미러(FRM)(1054)로 통과한다. 패러데이 회전 미러(1054)의 동작은 널리 공지되어 있어 상세히 설명하지 않을 것이다. 기본적으로, 광이 한 편광에서 패러데이 회전 미러(1054)로 입사될 때는, 직교 편광으로 반사된다. 따라서, 공통 가로대(1020)를 통과한 X-편광된 광은 Y-편광된 광으로서 반사되고, 어레이를 통과한 Y-편광된 광은 X-편광된 광으로서 반사된다.
반사된 광은 지연부(1052)를 다시 통과하여 결합기(1032)의 제4 포트로 진입한다. 광은 공통 가로대(1020) 및 어레이(1022)에 결합된다. 공통 가로대 내의 X-편광기(1030)는 원래 어레이(1022)를 통해 전파한 X-편광의 광만을 통과시킨다. 유사하게, 어레이(1022)의 Y-편광기(1040)는 원래 공통 가로대(1020)를 통해 전파한 Y-편광된 광만을 통과시킨다.
어레이(1022)를 통해 전파한 후에, 복귀하는 Y-편광된 광은 편광 해제기(1034)에서 편광 해소되어 X-편광된 광 및 Y-편광된 광 모두를 생성한다. 공통 가로대(1020)로부터의 광은 결합기(1006)의 제3 포트로 진입하고, 편광 해제기(1034)로부터의 광은 결합기(1006)의 제4 포트로 진입한다. 광은 결합기에서 조합되어, 동일한 광 거리를 이동한 2개의 포트로부터의 X-편광된 광이 간섭하고 제1 및 제2 포트에 결합된다. 제2 포트에 결합된 부분은 X-편광기(1010)를 통해 간섭 신호가 검출되는 검출기(1002)로 전파한다.
패러데이 회전 미러(1054)로부터 그리고 패러데이 회전 미러로 상이한 경로들을 이동한 광만이 결합기(1006)에서 간섭한다는 것이 이해될 것이다. 반사된 방향에서 공통 가로대(1020)를 통해 X-편광된 광으로서 전파하도록 된 광만이 원래 어레이(1022)에서 전파된 X-편광된 광이 된다. 유사하게, 반사된 방향에서 가로대(1020)를 통해 Y-편광된 광으로서 전파하도록 된 광만이 어레이(1022)의 공통 가로대(1020)에서 전파된 Y-편광된 광이 된다. 잠재적으로 간섭 광은 양 방향에서 가로대들을 통해 이동할 수 없어 상술한 실시예에서 설명된 잡음 신호를 발생시킨다. 따라서, 원래 공통 가로대(1020)에서 이동된 반사 펄스로부터 어레이(1022)에서 생성된 펄스들 각각은 원래 어레이(1022) 내에서 생성되었으며 그것이 반사된 후에 공통 가로대(1020)에서 전파한 펄스들 중 오로지 하나와 간섭할 수 있다. 따라서, 도 22의 실시예에서는 잡음 펄스들로부터 이용 가능한 신호 펄스들을 분리하도록 추가 지연을 포함할 필요가 없다.
도 23A, 도 23B, 및 도 23C는 본 발명의 다른 실시예들을 도시하고 있다. 도 23A, 도 23B, 및 도 23C의 실시예들에서의 센서 어레이(1100)는 도 17의 실시예 에서의 센서 어레이(700)와 유사하여, 동일한 소자는 적절하게 번호가 부여되었다. 도 23A, 도 23B, 및 도 23C의 실시예들은 편광되지 않은 소스(1102)를 포함한다. 도 17의 2x2 결합기(730)는 도 23A, 도 23B, 및 도 23C에서의 편광 빔 스플리터(PBS)(1104)로 대체된다. 편광 빔 스플리터(1104)의 사용은 도 17의 결합기(730) 및 도 22의 결합기(1130)에 비해 대략 6 dB를 절약한다. 도 17의 반사기(752)는 도 22의 패러데이 회전 미러(1054)와 유사한 패러데이 회전 미러(FRM)(1106)로 대체된다. 도 23A, 도 23B, 및 도 23C의 3x3 결합기(710)는 편광 유지 결합기가 아니어야 한다.
도 23A, 도 23B, 및 도 23C 각각은 편광 해제기(1110)를 포함한다. 도 23A에서, 편과 해제기(1110)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714) 상에 배치된다. 도 23B에서, 편광 해제기(1110)는 공통 가로대(712) 상에 배치된다. 도 23C에서, 편광 해제기(1110)는 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720) 상에 배치된다.
도 23A의 실시예에서, 편광되지 않은 소스(1102)로부터의 광은 3x3 결합기(710)로 진입하여 대략 동일한 부분들에서 공통 가로대(712)와 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 결합된다. 도 3 및 도 17과 관련하여 상기 논의된 바와 같이, 3x3 결합기의 사용은 구 근방의 수동적인 바이어싱을 제공한다. 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에서 전파하는 광은 한 편광(예를 들어, X-편광)에서의 어레이로 진입하는 광의 실질적으로 절반이 직교 편광(예를 들어, Y-편광)으로 결합되도록 하는 효과를 갖는 편광 해제기(1110)를 통과하며, 마찬가지로 Y-편광에서 어레이로 진입하는 광의 절반은 X-편광으로 결합된다. 따라서, 편광 해제기(1110) 이후에, X-편광에서의 광의 절반은 X-편광으로 발생하고 X-편광에서의 나머지 절반은 Y-편광으로 발생한다. 마찬가지로, 편광 해제기(1110) 이후에, Y-편광에서의 광의 절반은 Y-편광으로 발생하고 Y-편광에서의 광의 나머지 절반은 X-편광으로 발생하였다. 효과적으로, 편광 해제기(1110)는 편광되지 않은 광을 스크램블링한다.
광은 다른 실시예들과 관련하여 상술한 방식으로 어레이(716)를 통과한다. 어레이(716)를 빠져나가는 광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)를 통해 편광 빔 스플리터(1104)의 제1 포트(1121)로 전파한다. 편광 빔 스플리터(1104)는 입사된 광을 2개의 직교 편광(즉, X-편광 및 Y-편광)으로 스플리트한다. 이러한 논의를 위해, 편광 빔 스플리터(1104)는 45°로 배향된 편광-종속 미러와 같이 동작하며, 여기서 한 편광(예를 들어, X-편광)에서 제1 포트(1121)로 진입하는 광은 제2 포트(1122)로 반사되고 다른 편광(예를 들어, Y-편광)에서 제1 포트(1121)로 진입하는 광은 제3 포트(1123)로 전달된다. 도시된 실시예에서, 제2 포트(1122)를 빠져나가는 광은 터미네이터(732)에 의해 비반사 흡수된다. 제3 포트(1123)를 빠져나가는 Y-편광된 광은 지연 루프 다운리드 광섬유(740), 지연 루프(750)를 통해 패러데이 회전 미러(1106)로 전파한다. 어레이부(716)로부터의 Y-편광된 광은 편광 해제기(1110)를 통해 이동하였고 그 절반은 원래 X-편광된 광이었으며 그 나머지 절반은 원래 Y-편광된 광이었음에 유의한다. 상술한 바와 같이, 패러데이 회전 미러(1106)는 입사된 광이 직교 편광에 결합되도록 한다. 따라서, Y-편광된 광은 X-편광에 결합된다.
패러데이 회전 미러(1106)에 의해 반사된 X-편광된 광은 지연 루프(750) 및 지연 루프 다운리드 광섬유(740)를 통해 편광 빔 스플리터의 제3 포트(1123)로 다시 통과한다. 광이 현재 X-편광으로 존재하기 때문에, 이 광은 제1 포트(1121)에 전달되는 것이 아니라 제4 포트(1124)로 반사된다. 따라서, 원래 어레이(716)로부터 편광 빔 스플리터 상에서 입사된 Y-편광된 광은 공통 가로대(712)로 결합되어 다시 X-편광에서 3x3 결합기(710)로 전파한다.
3x3 결합기(710)로부터 공통 가로대(712)를 통해 편광 빔 스플리터(1104)로 전파하는 편광되지 않은 광은 제4 포트(1124)를 통해 편과 빔 스플리터(1104)로 진입한다. Y-편광에서의 광 성분은 제2 포트(1122)로 전달되고 터미네이터(732)에 의해 비반사적으로 전달된다. X-편광에서의 광 성분은 제3 포트(1123)로 반사되어 지연 루프 다운리드 광섬유(740) 및 지연 루프(750)를 통해 패러데이 회전 미러(1106)로 전파한다. (편광 해제기(1110)를 포함하는 이유가 지금 이해될 것이다. 공통 가로대(712)로부터의 X-편광된 광만이 지연 루프 다운리드 광섬유(740)로 결합되기 때문에, 편광 해제기(1110)는 어레이(716)로부터 지연 루프 다운리드 광섬유(740)로 결합되는 광이 또한 원래 X-편광된 몇몇의 광을 포함한다는 것을 보장하다. 패러데이 회전 미러(1106)는 광을 Y-편광된 광으로서 반사하고, 이 Y-편광된 광은 지연 루프 및 다운리드 광섬유를 통해 편광 빔 스플리터(1104)의 제3 포트(1123)로 전파시킨다.
편광 빔 스플리터(1104)의 제3 포트(1123) 상에서 입사된 Y-편광된 광은 제1 포트(1121)로 전달되어 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)로 전달된다. Y-편광된 광은 어레이(716)를 통해 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)로 전파하고 다음에 편 광 해제기(1110)를 통해 3x3 결합기(710)로 통과한다. 편광 해제기(1110)는 Y-편광된 광의 약 50퍼센트를 X-편광된 광으로 변환하도록 동작한다. 편광 해제기(1110)로부터의 X-편광된 광은 공통 가로대(712)로부터의 X-편광된 광과 간섭한다. 최종적인 조합 광은 3x3 결합기(710)의 간섭 광 신호들 사이의 위상 관계에 따라 검출기(704) 또는 검출기(706)에 의해 검출된다.
편광 해제기(1110)로부터 3x3 결합기(710) 상에 입사되는 X-편광된 광 및 공통 가로대(712)로부터의 X-편광된 광은 동일한 경로 길이를 이동한다는 것에 유의한다. 예를 들어, 공통 가로대(712)를 통해 전파하는 광은 먼저 공통 가로대(712)를 통해 X-편광으로 전파하고 다음에 어레이(716)를 통해 Y-편광으로 전파한다. 한편, 어레이(716)를 통해 전파하는 광은 먼저 어레이(716)를 통해 Y-편광으로 전파하고 다음에 공통 가로대를 통해 X-편광으로 전파한다. 2개의 "역전파(couterpropagating)" 광 신호가 간섭계 경로의 대응 부분들을 통해 전파할 때 동일한 편광이기 때문에, 어레이(716)에 의해 센싱된 입사 잡음의 효과를 제외하고는 전파 길이가 동일하다.
편광 빔 스플리터(1104)의 제2 포트(1122)에 결합된 터미네이터(732)는 Y 편광에서 간섭하는 광에 대해 제2 간섭계 경로를 제공하도록 제2 지연 루프(도시생략) 및 제2 패러데이 회전 미러(도시되지 않음)로 대체될 수 있음에 유의해야 한다. 제2 지연 루프에 의해 제공되는 지연을 조정함으로써, 제2 간섭계 경로로부터의 복귀 신호가 제1 간섭계 경로로부터의 복귀 신호와 중첩되는 것이 방지될 수 있다.
도 23B의 실시예는 편광 해제기(1110)가 공통 가로대(712)에 배치되는 것을 제외하고는 도 23A의 실시예와 동일하다. 도 23B의 편광 해제기(1101)의 효과는 (1) 단일 편광(예를 들어, X-편광)에서의 편광 빔 스플리터(1104)로부터 복귀하는 공통 가로대(712)의 광의 한 부분이 직교 편광에 결합되도록 하고 (2) 3x3 결합기(710)로부터 공통 가로대(712)를 통해 편광 빔 스플리터(1104)로 향해 이동하는 편광되지 않은 광을 스크램블링하는 것이다. 이는 광이 3x3 결합기(710)에서 재조합될 때 간섭하는 것을 보장한다. (편광 해제기(1110)가 도 23A의 광섬유(714)에 추가된 것과 동일한 이유임.)
도 23C의 실시예는 또한 편광 해제기(1110)가 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 배치된 것을 제외하고는 도 23A의 실시예와 동일하다. 도 23C의 실시예는 광이 어레이부(716)를 통과하여 편광 해제기(1110)를 통과하는 지 편광 해제기(1110)를 통과하여 어레이부(716)를 통과하는 지를 관여하지 않기 때문에 도 23A의 실시예와 기능적으로 동일하다. 따라서, 도 23C의 실시예의 기능은 상술한 바와 같이 도 23A의 실시예의 기능과 실질적으로 동일하다.
도 24는 도 23A에서 어레이(1110)내에 도시된 바와 같이 접속된 폴디드 사냑 센서 어레이(1200)가 편광 빔 스플리터(PBS)(1104), 패러데이 회전 미러(FRM)(1106), 및 편광 해제기(1110)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 23A와 다른 구성요소는 이전에서와 같이 번호가 부여된다. 3x3 결합기(710)를 갖는 도 23A의 어레이(1100)와 달리, 폴디드 사냑 센서 어레이(1200)는 도 22의 2x2 결합기(1006)와 동일한 방식으로 접속된 편광 유지 (PM) 2x2 결합 기(1220)를 갖는다. 2x2 결합기(1220) 중 한 포트는 제1 편광기(1224)를 통해 광 서큘레이터(1222)의 제1 포트에 접속된다. 광 서큘레이터(1222)의 제2 포트는 제1 검출기(1226)에 접속된다. 광 서큘레이터(1222)의 제3 포트는 편광되지 않은 소스(1228)(예를 들어, 세기 변조 광섬유 초형광 소스)에 접속된다. 2x2 결합기(1220)의 제2 포트는 제2 편광기(1232)를 통해 제2 검출기(1230)에 접속된다. 검출기들(1226 및 1230)과 편광되지 않은 소스(1228)는 표준 (편광 유지가 아닌) 광섬유에 의해 서큘레이터(1222)에 접속된다. 편광기들(1224 및 1232)은 편광 유지 광섬유를 통해 편광 유지 결합기(1220)에 결합되어 편광기들(1224, 1232)이 편광 유지 2x2 결합기(1220)와 동일한 축으로 정렬된다. 다르게, 편광된 소스가 편광되지 않은 소스(1228) 대신에 사용된다면, 편광되지 않은 소스(도시생략)는 편광 유지 광섬유에 의해 편광 유지 서큘레이터(도시생략)에 접속되고, 편광 유지 서큘레이터는 편과 유지 광섬유에 의해 편광기(1224)에 접속된다. 편광 유지 구성요소는 소스로부터의 편광된 광이 편광기(1224)를 통과하도록 접속된다. 편광 유지 서큘레이터로부터 검출기들(1226 및 1230)로의 접속은 표준 (편광 유지가 아닌) 광섬유에 의해 제공된다.
폴디드 사냑 센서 어레이(1200)는 비가역 위상 시프터(1250)를 더 포함한다. 위상 시프터(1250)는 제1 단부(1254) 및 제2 단부(1256)를 갖는 제1 광섬유(1252)를 통해 그리고 제1 단부(1260) 및 제2 단부(1262)를 갖는 제2 광섬유(1258)를 통해 결합된다. 제1 광섬유(1252)의 제1 단부(1254)는 제1 결합기(1264)를 통해 2x2 결합기(1220)에 근접한 공통 가로대(712)에 결합된다. 제2 광섬유(1258)의 제1 단 부(1260)는 제2 결합기(1266)를 통해 편광 빔 스플리터(1104)에 근접한 공통 가로대(712)에 결합된다. 제1 및 제2 광섬유들(1252, 1258)의 각각의 제2 단부들(1256, 1262)은 도 25 및 도 26과 관련하여 다음에서 논의되는 바와 같이 위상 시프터(1250)에 결합된다.
양호하게, 공통 가로대(712), 제1 광섬유(1252), 및 제2 광섬유(1258)는 편광 유지(PM) 광섬유들이고, 제1 결합기(1264), 제2 결합기(1266), 및 2x2 결합기(1220)는 편과 유지(PM) 결합기들이다. 또한, 양호하게, 제1 결합기(1264) 및 제2 결합기(1266)는 광의 대략 50 퍼센트가 공통 가로대에 남아 있는 동안 위상 시프터(1250)에 대해 어느 한 방향에서 공통 가로대(712)로 진입하는 광의 약 50 퍼센트를 결합시키는 50/50 결합기들이다. 따라서, 비가역 위상 시프터(1250) 및 관련된 광섬유들은 공통 가로대(712)와 평행으로 제2 가로대(1268)를 형성한다.
양호하게, 가로대(712, 1268) 중 하나(예를 들어, 공통 가로대(712))는 가로대들을 통해 전파하는 펄스들이 중첩되는 것을 방지하기에 충분하게 한 가로대 내에서 시간 지연을 유도하는 지연 소자(예를 들어, 지연 루프(1269))를 포함한다. 따라서, 센서 어레이(716)로부터 2x2 결합기(1220)로 복귀하는 광은 서로 시간적으로 이격된 각각의 센서에 대한 2개의 펄스를 포함한다. 한 펄스는 각각의 방향에서 공통 가로대(712)를 통과하는 조합된 광을 포함한다. 다른 펄스는 각각의 방향에서 비가역 위상 시프터(1250)를 통과하는 조합된 광을 포함한다. 한 방향에서 위상 시프터(1250)를 통과하는 광 펄스와 다른 방향에서 공통 가로대(712)를 통과하는 광 펄스는 실질적으로 상이한 전파 시간을 가지며 결합기(1220)에서 중첩되지 않을 것임이 이해될 것이다. 따라서, 이들은 간섭하지 않는다.
한 방향에서 공통 가로대(712)를 통과하는 광은 다른 방향에서 공통 가로대를 통과하는 광에 대해 공통 가로대(712) 내에서 임의의 위상 시프트를 겪지 않는다. 따라서, 양 방향에서 공통 가로대(712)를 통과하는 조합된 광은 0인 상대 위상 바이어스를 갖는다. 그러나, 다음에서 논의되는 바와 같이, 비가역 위상 시프터(1250)는 다른 방향에서의 광에 대해 한 방향에서의 광의 시프트를 유도한다. 특히, 양호한 실시예에서, 위상 시프터(1250)는 2 방향에서의 광 사이에 π/2 상대 위상 시프트를 유도한다. 따라서, 양 방향에서 위상 시프터(1250)를 통과한 결합기(1220)로 진입하는 광은 결합기(1220)에서 π/2 위상 바이어스와 조합될 것이다.
본 기술 분야에 숙련된 자라면 도 24에 도시된 간섭계 구성의 50 퍼센트 결합기(1220)는 입력 포트들에서의 복귀 광이 결합기 내에서 간섭할 때 원래의 입력 포트에 대응하는 출력 포트에 복귀하는 광을 결합시켜 0, 2π, 4π 등의 상대 위상차를 갖고 광이 π, 3π, 5π 등의 상대 위상차를 가질 때 다른 출력 포트에 복귀하는 광을 결합시킨다는 것을 인식할 것이다. 복귀하는 광이 π배가 아닌 상대 위상차를 가질 때, 복귀하는 광의 한 부분이 양 포트들로부터 출력된다. 예를 들어, 상대 위상차가 π/2의 홀수배 (예를 들어, π/2, 3π/2, 등)일 때, 복귀하는 광의 대략 50 퍼센트가 각각의 출력 포트에 결합된다. 2개의 독립적인 전파 경로를 제공함으로써, 각각의 검출기(1226, 1230)는 시간적으로 멀리 이격된 2개의 신호를 수신하므로 개별적으로 검출될 수 있다. 한 신호는 0 위상 바이어스를 갖고, 한 신호는 π/2 위상 바이어스를 가져서 한 신호가 섭동(perturbation)에 거의 민감하 지 않을 때 다른 신호가 섭동에 가장 민감하거나, 그 반대가 된다. 공통 가로대(712)와 평행이고 상대 위상 시프트의 양과 다른 추가 가로대는 펄스들에 상이한 위상 바이어싱이 제공되도록 포함될 수 있음이 이해될 것이다.
도 25는 도 24의 폴디드 사냑 센서 어레이(1200)와 실질적으로 동일한 폴디드 사냑 센서 어레이(1200')의 다른 구성을 도시하고 있다. 도 25의 폴디드 사냑 센서 어레이(1200')에서, 편광 해제기(1110)가 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)가 아닌 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 배치된다. 센서 어레이(716)의 상호 구조로 인해, 편광 해제기(1110)의 광섬유(714)로의 재배치는 폴디드 사냑 센서 어레이(1200)의 동작에 대해 폴디드 사냑 센서 어레이(1200')의 전체 동작을 변화시키지 않는다. 따라서, 폴디드 사냑 센서 어레이(1200')의 동작은 본 명세서에서 상세히 설명되지 않을 것이다.
도 24 및 도 25의 실시예들은 위에서 상세히 설명하였던 센서 어레이(716)를 포함한다. 증폭된 센서 어레이들의 다른 구성들은 또한 도 24 및 도 25의 실시예들에서의 센서 어레이(716)의 위치에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 26은 도 24 및 도 25의 비가역 π/2 위상 시프터(1250)의 양호한 제1 실시예를 도시하고 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 위상 시프터(1250)는 제1 시준 렌즈(1270), 제1 45° 패러데이 회전자(1272), 1/4 파장판(1274), 제2 45° 패러데이 회전자(1276), 및 제2 시준 렌즈(1278)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 제1 패러데이 회전자(1272), 제2 패러데이 회전자(1276), 및 1/4 파장판(1274)은 상업적으로 이용 가능한 벌크 광 소자를 포함하지만, 유리하게 광섬유 또는 다른 도파관 소자를 포함할 수 있다. 시준 렌즈들(1270, 1278)이 PM 광섬유들(1252, 1258)의 제2 단부들(1256, 1262)에 근접하게 배치되어 광섬유 단부들(1256, 1262)로부터의 광을 각각 패러데이 회전자들(1272, 1276)로 집광하고 패러데이 회전자들(1272, 1276)로부터의 광을 광섬유 단부들(1256, 1262)로 집광한다. 패러데이 회전자들(1272, 1276) 각각은 널리 공지된 방식으로 동작하여 원래의 각에 대해 소정의 양만큼 회전된 새로운 각에서 편광이 존재하도록 특정한 각에서 편광을 갖는 패러데이 회전자에 입력된 광이 회전된 편광을 갖도록 한다. 예를 들어, 양호한 실시예에서, 각각의 패러데이 회전자(1272, 1276)는 반시계(CCW) 방향에서 45°만큼 입사광의 편광을 회전시킨다. 따라서, 도 26에 도시된 바와 같이, 그 편광이 수평으로 배향된 PM 광섬유(1252)의 단부(1256)로부터 방사된 광이 제1 패러데이 회전자(1272)에서 반시계 방향으로 45°만큼 회전되어 편광이 제1 패러데이 회전자(1272)로부터 나타날 때 원래의 배향에 대해 시계 방향으로 45°의 각으로 배향되도록 될 것이다.
1/4 파장판(1274)은 2개의 패러데이 회전자들(1272, 1276) 사이에 배치된다. 1/4 파장판(1274)은 제1 복굴절축(1280) 및 직교 제2 복굴절축(1282)을 갖는다. 한 복굴절축(예를 들어, 제1 복굴절축(1280))을 따라 배향된 편광으로 전파하는 광은 다른 복굴절축(예를 들어, 제2 복굴절축(1282))을 따라 배향된 편광으로 전파하는 광보다 전파 속도가 낮다. 1/4 파장판(1274)은 제1 복굴절축(1280)이 예를 들어, 수직으로 시계 방향에서 45°로 배향되고, 제1 패러데이 회전자(1272)로부터 나오는 광이 제1 복굴절축(1280)을 다라 배향되어 제2 복굴절축(1282)에 수직이 되도록 배향된다. 2개의 축을 따르는 전파 속도의 차이로 인해, 1/4 파장판은 제2 복굴절축(1282)을 따라 편광된 광에 대해 제1 복굴절축(1280)을 따라 편광된 광에 π/2 또는 90° 위상 시프트를 유도한다. 따라서, 본 예에 따르면, 제1 복굴절축(1280)과 정렬되도록 회전된 수평 편광으로 전파한 광이 제2 복굴절축(1282)을 따라 전파하는 임의의 광에 대해 90°의 상대 위상 시프트를 야기한다.
1/4 파장판(1274)을 통과한 후에, 광은 제2 패러데이 회전자(1276)를 통과하고 다시 반시계 방향에서 45°만큼 회전된다. 제2 패러데이 회전자(1276)로부터 방사하는 광은 제2 시준 렌즈(1278)를 통과하여 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)로 집광된다. 전술한 설명으로부터 수평 편광에서 제1 PM 광섬유(1252)로부터 출력된 임의의 광이 수직 편광에서 제2 PM 광섬유(1258)로 진입한다는 것이 이해될 것이다. 위에서 논의된 바와 같이, 수직 편광에서 제2 PM 광섬유(1258)로 진입하는 광은 1/4 파장판(1274)의 느린 복굴절축을 따라 전파할 것이며 제1 복굴절축(1282)을 따라 전파하는 광에 대해 π/2 상대 위상차를 야기할 것이다.
설명된 바와 같이, 비가역 위상 시프터(1250)는 패러데이 회전자들(1272, 1276)의 동작으로 인해 비가역 방식으로 동작한다. 상술한 바와 같이, 제1 PM 광섬유(1252)로부터 패러데이 회전자들(1272, 1276)을 통해 제2 PM 광섬유(1258)로 통과하는 광은 도 25에 도시된 광의 전파 방향에 대해 각각의 회전에 의해 45° 반시계 방향으로 회전된다. 패러데이 회전자들이 상호적이 아니라면, 반대 방향에서 패러데이 회전자들(1272, 1276)을 통과하는 광은 또한 광의 전파 방향에 대해 반시계 방향에서 회전될 것이다. 그러나, 패러데이 회전자들은 비가역적이기 때문에, 광은 반대 방향(즉, 광의 전파 방향에 대해 시계 방향)에서 회전된다. 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)로부터 비가역 위상 시프터(1250)를 통해 제1 PM 광섬유(1252)의 제2 단부(1256)로 통과하는 광에 대한 비가역적 효과가 도 27에 도시되어 있다. 도 27에 도시된 바와 같이, 회전은 반시계 방향에서 다시 이루어지나, 광은 현재 관찰자를 향해 전파한다. 따라서, 수직 편광으로 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)로부터 방사된 광이 제2 시준 렌즈(1278) 및 제2 패러데이 회전자(1276)를 통과하고 1/4 파장판(1274)의 제2 (고속) 복굴절축(1282)으로 정렬된 방향으로 회전된다. 따라서, 원래 수직 편광의 광이 1/4 파장판(1274)을 통해 전파함에 따라 상대적 지연을 경험하지 않는다. 1/4 파장판(1274)을 통과한 후에, 광은 패러데이 회전자(1272)를 통과하여 광이 수평 편광에서 추가적인 45° 회전된다. 다음에, 광은 제1 시준 렌즈(1270)를 통해 제1 PM 광섬유(1252)의 제2 단부(1256)로 집광된다.
전술한 바로부터, 제1 방향에서 제1 PM 광섬유(1252)로부터 비가역 위상 시프터(1250)를 통해 제2 PM 광섬유(1258)로 통과하는 수평 편광 광은 1/4 파장판(1274)의 느린 복굴절축(1280)을 통해 전파하며 90° 또는 π/2의 상대 위상 지연을 경험한다. 제1 방향에서 전파하는 수평 편광 광은 제2 PM 광섬유(1258)로 진입할 때 수직 편광으로 광이 배향되도록 회전된다. 역으로, 제2 PM 광섬유(1258)로부터 제2 방향에서 비가역 위상 시프터(1250)를 통해 제1 PM 광섬유(1252)로 통과하는 수직 편광된 광은 1/4 파장판(1274)의 빠른 복굴절축(1282)을 통해 전파하고 상대 위상 지연을 경험하지는 않는다. 제2 방향에서 전파하는 수직 편광된 광은 회전하여, 광이 PM 광섬유에 입사할 때 수평 편광으로 배향된다. 다음에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 방향에서 전파하는 수직 편광된 광에 대해 제1 방향에서 전파하는 수평 편광된 광 사이의 상대 위상 시프트는 π/2 위상 바이어스를 제공한다.
도 28 및 29는 제1 패러데이 회전자(1272)가 1/4 파장판(1274)(제1 1/4 파장판으로 칭함)과 제2 1/4 파장판(1294) 사이에 배치되는 비가역 위사 시프터(1250)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 28에서, 제1 PM 광섬유(1252)의 제2 단부(1256)로부터의 광은 이전과 같이 제1 시준 렌즈(1270)에 의해 시준된다. 이 광은 원래 수평 편광이 있다. 광이 제1 1/4 파장판(1274)을 통과할 때, 원형 편광을 갖는 광으로 변환된다. 원형으로 편광된 광이 φ의 위상 시프트를 발생시키는 제1 패러데이 회전자(1272)를 통과한다. 양호한 실시예에서, 제1 패러데이 회전자(1272)는 π/2의 이상 시프트를 발생시키도록 선택된다. 패러데이 회전자(1272)로부터의 광은 원형으로 편광되고 이 원형으로 편광된 광을 수직 편광 배향에서 선형으로 편광된 광으로 변환하는 제2 1/4 파장판(1294)을 통과한다. 수직 편광에 추가하여, 광은 φ(예를 들어, π/4의 위상 시프트)를 경험한다.
도 29는 반대 방향에서 전파하는 광에 대한 비가역 위상 시프터(1250)의 다른 실시예의 동작을 도시하고 있다. 도 29에서, 제2 PM 광섬유(1260)의 제2 단부(1262)로부터 수직으로 편광된 광은 제2 시준 렌즈(1278)에 의해 시준되며 제2 1/4 파장판(1294)을 통과한다. 제2 1/4 파장판(1294)은 수직 편광된 광을 원형 편 광을 갖는 광으로 변환한다. 원형 편광된 광은 제1 패러데이 회전자(1272)를 통과하고 이전과 같이 위상 시프트를 경험한다. 광이 반대 방향에서 제1 패러데이 회전자(1272)를 통해 전파하기 때문에, 광은 -φ(예를 들어, -π/4)의 반대 위상 시프트를 경험한다. 다음에 패러데이 회전자(1272)로부터의 광은 제1 1/4 파장판(1274)을 통과하며, 여기서 원형 편광된 광은 수평 편광으로 선형 편광된 광으로 변환된다. 따라서, 2 방향으로 전파하는 광은 도 26 및 도 27에 도시된 비가역 위상 시프터(1250)의 제1 실시예와 동일한 효과를 갖는 2φ(예를 들어, π/2)인 전체 상대 위상 시프트를 경험한다.
편광의 배향 및 위상 지연에 대한 비가역 위상 시프터(1250)의 효과는 도 24와 관련하여 위에서 설명하였으며 다시 설명되는 바이어싱 효과를 제공한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 수직 편광에서 제2 PM 광섬유(1258)로 진입하는 광은 제2 PM 결합기(1266)에서 제1 PM 결합기(1264)로부터 공통 가로대(712)를 통해 제2 PM 결합기(1266)로 전파된 광과 조합된다. 다음의 논의에서 명백해질 이유로 인해, 공통 가로대(712)로부터 제2 PM결합기(1266)로 진입하는 광은 제2 PM 광섬유(1258)로부터 제2 PM 결합기로 진입하는 광과 동일한 편광을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 양호한 실시예에서는, 제2 PM 광섬유(1258)와 공통 가로대(712) 중 언 하나가 90°만큼 회전되어 제2 PM 광섬유(1258)에서의 수직 편광의 광이 공통 가로대(712)의 수평 편광의 광과 동일한 방향으로 배향되도록 한다. 이는 수직 편광된 광이 제2 PM 광섬유(1258)의 수평 편광축을 따라 배향된 편광의 상태에서 제2 단부(1262)로 진입하도록 제2 시준렌즈(1278) 근방의 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)를 회전시킴으로써 손쉽게 이루어진다. 따라서, 수직 상태의 편광에서 비가역 위상 시프터(1250)를 빠져나오는 광이 결합기(1266)의 편광축에 대해 편광의 수평 상태에서의 광으로서 결합기(1266)에 적용된다. 따라서, 비가역 위상 시프터(1250)로부터의 광은 공통 가로대(712)로부터의 광과 동일한 편광 상태를 갖는다.
공통 가로대(712)를 통과한 광과 비가역 위상 시프터(1250)를 통과한 광은 다음에 편광 빔 스플리터(PBS)(1104)의 포트(1124)로 진입한다. 수평 편광의 광이 PBS(1104)의 포트(1123)로부터 광섬유(740)로 출력된다. 광섬유(740)는 지연 루프(750)를 포함하며 패러데이 회전 미러(FRM)(1106)에서 종료된다. 지연 루프(750) 및 FRM(1106)은 상술한 바와 같이 동작하며, 반사 및 지연 펄스들이 수직 편광에서 PBS(1104)의 포트(1123)로 복귀된다. 펄스는 광섬유(720)를 통해 PBS(1104)의 포트(1121)로부터 어레이(716)로 출력하고 어레이(716)의 센서들 722(i)을 통해 시계 방향에서 전파한다.
광섬유(714) 및 편광 해제기(1110)를 통해 어레이(716)로부터 2x2 결합기(1220)로 출력되며, 여기서 시계 방향 전파 광은 반시계 방향 전파 방식과 조합된다. 또한, 반시계 광은 수평으로 편광된 광으로서 시작한다. 이 광은 편광 해제되고 센서 어레이(716)를 통과한다. 수직 편광의 센서 어레이(716)로부터 방사하는 광은 PBS(1123)에 의해 반사되고 포트(1122) 및 터미네이터(716)를 통해 무시된다. 수평 편광의 센서 어레이(716)로부터 나오는 광은 루프(720)에 의해 지연되고 FRM(1106)에 의해 수직 편광으로 회전된다. 편광 상태에 있는 복귀광은 PBS(1123)에 의해 포트(1124)쪽으로 반사되며, 이에 따라 제2 PM 결합기(1286)쪽으로 향하게 된다. 광의 일부는 공통 가로대(rung;712)의 지연 루프(1269)를 지나게 되며, 광의 다른 일부는 비가역 위상 시프터(non-reciprocal phase shifter;1250)를 지나게 된다. 상술한 바와 같이, 수직 편광 상태의 비가역 위상 시프터(1274(도 27))에 입사하는 광은 1/4 파장판(1274(도 27))의 고속 복굴절축(1282)을 통해 전파하게 되지만, 상대적 위상 지연을 겪지는 않는다. 따라서, 반시계 방향광의 2개의 펄스는 결합기(1220)쪽으로 전파하며, 이들 펄스는 시계 방향 광 펄스와 결합된다. 공통 가로대(712)를 지난 광 신호들과 양 방향에서의 지연 루프(1269)들은 상대적 위상 시프트를 전혀 겪지 않으며 상술한 바와 같이 결합된다. 양방향에서 비가역 위상 시프터(1250)를 통과한 광 신호들은 시계 방향으로 전파하는 신호들과 반시계 방향으로 전파하는 신호들 간에 π/2의 상대적 위상 시프트를 겪게 되므로 앞에서 설명한 바와 같이 π/2 위상 바이어스를 갖게 된다. 결합기(1220)의 양 출력에서, 센서 어레이(1200)로부터 복귀하는 2 펄스광의 일부는 편광기(1224)로 향하게 되며, 나머지 부분은 편광기(1232)로 향하게 된다. 2 편광기(1224,1232)의 역할은 루프에 진입하는 광들이 루프를 떠나온 광처럼 동일한 편광을 갖도록 함으로써 상호 작용을 갖도록 하는 것이다. 상술한 바와 같이, 검출기(1230)에 도달하는 2개의 펄스들은 위상 직교 상태에 있게 되며, 이는 공지의 수많은 신호 처리 기법을 이용할 수 있도록 함으로써 신호 페이딩(signal fading)을 방지하게 된다. 유사한 방식이 검출기(1226)에 적용될 수 있다. 도 24의 실시예의 경우, 위상 직교 상태의 2 펄스가 생성되는 점이 바로 비가역 위상 시프터(1250)를 포함한 가로 대를 통합하고 있는 주요인이 된다.
도 30 내지 도 36은 폴디드 사냑 센서 어레이가 다수의 검출기에 대한 편광계 바이어싱을 이용하고 있는 것을 예시하고 있는 것이며, 여기서 각각의 검출기는 다름 검출기의 바이어스 포인트와 무관하게 설정될 수 있다. 도 30 내지 도 36의 실시예들은 앞에서 상술된 센서 어레이(716)를 포함하고 있다. 증폭 센서 어레이들의 다른 구성은 도 30 내지 도 36의 실시예의 센서 어레이(716) 대신에 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다.
도 30에 예시되어 있는 폴디드 사냑 센서 어레이(1330)의 경우, 편광 광섬유 SFS(superfluorescent source)(1310)는 광섬유(1314)를 통해 편광 콘트롤러(1312)에 연결된다. 광섬유(1314)는 편광 콘트롤러(1312)를 2×2 결합기(1316)의 제1 포트에 추가로 연결한다. 결합기(1316)의 제2 포트는 출력 포트이며, 후술한다. 결합기(1316)의 제3 포트는 광섬유(1318)를 통해 비반사 터미네이터(1320)에 연결된다. 결합기(1316)의 제4 포트는 편광 빔 스플리터(PBS)(1332)의 제1 포트(1330)에 공통 어레이 입/출력 광섬유(1334)를 통해 연결된다. 편광 빔 스플리터(1332)의 제2 포트(1336)는 제1 수평 편광기(1338)에 연결된다. 제1 수평 편광기(1338)는 어레이(716)의 제2 어레이 입/출력 광섬유(720)에 연결된다. 편광 빔 스플리터(1332)의 제3 포트는 공통 어레이 광섬유(1342)에 연결되어, 지연 루프(1334)내에 형성되며 FRM(Faraday rotating mirror)(1346)에서 종단된다. 편광 빔 스플리터(1332)의 제4 포트(1348)는 제2 수평 편광기(1350)에, 그 후, 편광 해제기(depolarizer; 1352)에 연결된다. 편광 해제기(1352)는 제1 어레이 입/출력 광섬유(714)에 연결된다.
결합기(1316)의 제2 포트는 광섬유(1362)를 통해 검출기 서브 시스템(1360)에 연결된다. 도 30의 실시예의 경우, 검출기 서브 시스템(1360)은 결합기(1316)의 제2 포트로부터의 광을 수광하는 제2 입력 포트를 구비하는 1×n 결합기(1364)로 이루어진다. 1×n 결합기(1364)의 제1 출력은 편광 콘트롤러(1366)에 연결된다. 편광 콘트롤러(1336)는 편광기(1368)에 연결되며, 교대로 제1 검출기(1370)에 연결된다. 1×n 결합기(1364)의 제2 출력은 편광 콘트롤러(1372)에 연결된다. 편광 콘트롤러(1372)는 편광기(1374)에 연결되어, 제2 검출기(1376)에 연결된다. 부가적 편광 콘트롤러들인 편광기와 검출기(도시되지 않음)는 1×n 결합기(1364)의 부가 포트들(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.
도 30의 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)는 다음의 방식으로 동작한다. 편광 SFS(1310)는 광섬유(1314)를 통해 편광 콘트롤러(1312)를 지나는 편광 출력 신호를 제공한다. 편광 콘트롤러(1312)는 원하는 편광 상태로 편광을 변화시킬 수 있도록 조정 가능하다. 예를 들어, 도 30에서, 편광 상태는 편광 빔 스플리터(1332)로의 입력에서 수직 및 수평 축들에 대해 45°로 배향되는 선형 편광을 제공할 수 있도록 조정된다. 광은 광섬유(1314)에 잔존하게 되며 결합기(1316)로의 입력으로 제공된다. 결합기(1316)는 제1 출력 광섬유(1318)로의 유입광의 대략 50%를 연결하게 되며, 비반사 터미네이터(1320)에서 폐기된다. 결합기(1316)는 공통 어레이 입/출력 광섬유(1334)로의 유입광의 대략 50%를 연결하게 된다.
공통 어레이 입력/출력 광섬유(1334)는 광을 편광 빔 스플리터(1330)에 유도 하며, 이 스플리터는 수직으로 편광된 광을 제2 포트(1336)쪽으로 반사시키며 제3 포트(1340)쪽으로의 수직 편광은 통과시킨다. 제2 포트(1336)로부터 반사된 수직 편광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)쪽으로 제1 수평 편광기(1338)를 지나 어레이(716)를 통해 시계 방향으로 전파하게 된다. 시계 방향으로 전파하는 광은 편광 해제기(1352)와 어레이 입력/출력 광섬유(714)를 통해 어레이(716)를 나오게 된다. 상술한 바와 같이, 편광 해제기(1352)는 어레이(716)내의 센서들을 통과한 후에는 유출광이 수평 편광 모드와 수직 편광 모드에서 거의 균일하게 분배될 수 있도록 한다. 시계 방향으로 전파하는 광은 이어서 제2 수평 편광기(1350)를 지나며, 이 편광기는 수직 편광의 광의 일부를 제거한다. 수평 편광시 시계 방향으로 전파하는 광은 편광 빔 스플리터(1330)의 제4 포트(1348)에 진입하며 제3 포트(1340)쪽으로 반사되어 공통 어레이 광섬유(1342)에서 전파한다. 복귀하는 시계 방향 광은 지연 루프(1344)를 통해 패러데이 회전 미러(1346)쪽으로 진행하며, 여기서 광은 수직 편광으로서 반사된다. 수직으로 편광된 광은 편광 빔 스플리터(1332)의 제3 포트(1340)쪽으로 복귀하여 제1 포트(1330)쪽으로 지나가게 된다.
상술한 바와 같이, 편광 빔 스플리터(1332)의 제1 포트(1330)에서 처음부터 입사한 광은 수평 및 수직 편광에 대해 거의 45°로 배향되었다. 따라서, 수직으로 편광된 광 성분에 대응하는 광의 대략 50%가 편광 빔 스플리터(1332)를 통해 제3 포트쪽(1340)과 공통 지연 광섬유(1342) 쪽으로 지나가게 된다. 수직 편광은 지연 루프(1344)를 지나 전파하며, 패러데이 회전 미러(1346)에 의해 수평 편광으 로서 반사된다. 반사된 수평 편광은 지연 루프(1344)를 지난 후 다시 편광 빔 스플리터(1332)의 제3 포트(1340)쪽으로 진행하게 된다. 광이 수직으로 편광되기 때문에, 광은 편광 빔 스플리터(1332)의 제4 포트(1348) 쪽으로 반사되며, 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)를 경유하여, 제2 수평 편광기(1350), 편광기(1352)를 통해 어레이(716)내로 전파되며 이 어레이 내에서는 반시계 방향으로 전파하게 된다. 편광기(1352)는 반시계 방향으로 전파하는 광이 전체 편광의 성분들을 갖도록 하여 반시계 방향으로 전파하는 광이 어레이(716)로부터 빠져나오도록 함으로써 수평 편광의 광의 적어도 일부가 되도록 하게 된다.
반시계 방향으로 전파하는 광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(72)를 통해 어레이(716)로부터 빠져 나오게 되며, 다른 편광 배향으로 향하는 광을 배제하게 된다. 광 중 반시계 방향으로 전파하는 부분으로부터 나타나는 수평 편광은 편광 빔 스플리터(1332)의 제2 포트(1336)에 진입하며 편광 빔 스플리터(1332)의 제1 포트(1330)쪽으로 반사되고, 여기서 광은 시계 방향으로 전파하는 광으로부터 나타나게 되는 수직 편광과 결합된다.
결합된 광은 결합기(1316)의 제4 포트 쪽으로 전파하며, 결합된 광의 대략 50%는 결합기(1316)의 제2 포트쪽에 연결되고, 광섬유(1362)를 통해 검출기 시스템(1360)에 연결된다. 1×n 결합기(1364)는 광을 N개의 부분으로 나누게된다. 예를 들어, 도 30에서 N은 2이고, 광의 제1 부분은 편광 콘트롤러(1366)에 연결되어 제1 검출기(1370)쪽으로 편광기(1368)를 통해 전파하며, 광의 제2 부분은 편광 콘트롤러(1372)에 연결되어 편광기(1374)를 통해 제2 검출기(1376)쪽으로 전파한 다. 편광 콘트롤러(1366,1372)와 편광기(1368,1374)의 배향은 제1 검출기(1370) 및 제2 검출기(1376)에 입사하는 광 신호를 다른 위상으로 바이어스하도록 조정된다. 예를 들어, 제2 검출기(1376)에 인가된 신호는 제1 검출기(1370)에 인가되는 신호와 1/4 상태가 되도록 바이어스될 수 있으므로 하나의 신호가 최저 감도를 갖는 경우에는 다른 신호는 최대 감도를 갖게 되고, 그 반대의 경우도 존재한다.
상술한 바와 같이, 2개의 신호부분들 각각은 어레이(716)를 통해, 공통 지연 광섬유(1342)를 지나, 그리고 지연 루프(1344)를 통해 동일한 거리를 이동한다. 따라서, 음향 신호 또는 어레이(716)내의 센서들에 작용하는 다른 노이즈에 의한 섭동(perturbations)이 없는 경우에는, 2 부분들이 서서히 움직이게 되며 구조적으로 간섭하여 45°의 선형 편광을 갖는 결합 광 신호를 발생시키게 되지만, 광은 편광의 수직 상태에 대해 직교하는 편광 상태를 갖게 된다. 따라서, 편광의 배향 상태가 +45°라면, (위상 섭동이 없는 경우 다시) 출력 광의 편광 상태는 +45°였으며, (위상 섭동이 없는 경우 다시) 출력 광의 편광 상태는 -45°였다.
음향 신호가 존재하는 경우, 시계 방향으로 전파하는 광과 반시계 방향으로 전파하는 광은 상대적 위상 시프트를 겪게 된다. 상대적 위상 시프트가 증가함에 따라, 2개의 간섭하는 빔들의 편광 상태는 -45° 선형 편광 상태로부터 좌측으로 회전한 편광으로 +45° 편광 상태로부터 우측으로 회전한 편광으로 다시 -45° 편광으로 변경된다. 이들 4개의 편광 상태를 통한 진행은 폰케어구(Poincare sphere)상의 원을 정의한다. 편광 빔 스플리터(1332)의 출력에서의 편광 상태는, 원(circle)상의 그 위치가 음향 유도 비가역 위상 시프트에 대한 함수인 폰케어구 의 원을 따른 포인트에 대응한다.
편광 빔 스플리터(1332)의 출력으로부터, 공통 어레이 입력/출력 광섬유(1334)를 통해, 결합기(1316)를 지나 검출기 서브 시스템(1360)으로 이동한 후에, 결합된 신호의 편광 상태는 광섬유(1334)의 미지의 복굴절성에 의해 변경된다. 제1 검출기(1370)의 앞에서 편광기(1368)에 인접한 편광 콘트롤러(1366)와 제2 검출기(1376)의 앞에서 편광기(1374)에 인접한 편광 콘트롤러(1372)는 각각의 검출기(1370,1376)에 대해 각각의 선택된 편광 상태에 대해 편광 상태를 재배향하는 데 사용된다. 예를 들어, 편광 콘트롤러(1366,1372)는 음향 신호가 어레이(716)에 전혀 인가되지 않는 경우, 설정되므로, 반시계 방향으로 전파하는 광학 신호에 대한 상대적 위상 시프트는 전혀 유도되지 않는다.
예를 들어, 제1 검출기(1370)에 대해 ±90°의 바이어스 포인트를 제공하기 위해, 편광 콘트롤러(1376)는 편광 빔 스플리터(1332)의 출력에서의 결합된 광이 편광에 대해 좌측으로 회전한 상태인 경우, 제1 검출기(1370)는 광의 최대 강도 또는 최소 강도 중 어느 하나를 검출하게 된다. 출력 광의 또 다른 편광 상태의 경우, 제1 검출기(1370)는 최대 세기와 최저 세기 간의 세기를 갖는 광을 검출하게 된다.
추가적인 예로서, 제2 검출기(1376)는 예를 들어, 0°와 180°와 같은 상이한 바이어스 포인트로 설정되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 바이어스 포인트의 경우, 편광 콘트롤러(1372)는 편광 빔 스플리터(1332)의 출력에서의 광이 -45°의 편광 상태를 갖는 경우에는 제2 검출기(1376)가 광의 최대 세기 또는 최저 세기 중 어느 하나를 검출하도록 설정된다. 출력광의 또 다른 상태의 경우, 제2 검출기(1376)는 최대 세기 및 최저 세기 간의 세기를 갖는 광을 검출한다.
편광 빔 스플리터(1332)의 입력에 인가되는 광은 ±45° 이외의 편광 상태를 가질 수 있음을 이해해야 한다. 예를 들어, 입력광이 초기 좌측 회전 편광 상태를 갖는다면, 이에 따라, 편광 콘트롤러(1366, 1372)는 제1 검출기(1370) 및 제2 검출기(1376)에 대해 적절한 바이어스 포인트를 제공하도록 설정된다.
도 31은 폴디드 사냑 센서 어레이(1300′)의 대안적 구조를 예시하고 있는 것이며, 이 구조는 도 30의 폴디드 사냑 센서 어레이와 거의 유사하다. 도 31의 폴디드 사냑 센서 어레이(1300′)의 경우, 편광기(1352)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에서 보다는 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 위치하고 있다. 센서 어레이(716)의 상호적 구조로 인해, 편광 해제기(1352)를 광섬유(720)에 재할당하는 것은 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)의 동작에 대해 폴디드 사냑 센서 어레이(1300′)의 전체 동작을 변경시키지 않는다. 폴디드 사냑 센서 어레이(1300′)의 동작은 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)의 동작과 유사하므로 이 부분에서는 상술하지 않기로 한다.
도 32는 도 30의 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)와 유사하며 이에 따라 유사한 소자들이 번호가 매겨져 있는 폴디드 사냑 센서 어레이(1400)의 대안적 실시예를 예시하고 있다. 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)와는 달리, 폴디드 사냑 센서 어레이(1400)는 편광 종속 광 서큘레이터(1410)로 2×2 결합기(1316)를 대체할 수 있다. 광 서큘레이터는 2×2 결합기(1316)와 유사한 기능을 수행하지만, 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)의 경우, 입력광의 대략 50% 정도는 광이 결합기(1316)에서 스플리트될 때 손실되며, 출력 광의 대략 50% 정도는 결합기(1316)에서 광이 스플리트될 때 손실된다. 실시예 1400의 경우, 거의 모든 입력광은 순환 장치(1410)를 통해 편광 SFS(1310)으로부터 편광 빔 스플리터(1332)쪽으로 지나가게 되며, 출력광의 거의 대부분은 편광 빔 스플리터(1332)로부터 순환 장치(1410)를 통해 검출기 시스템(1360)으로 지나가게 된다.
도 33은 폴디드 사냑 센서 어레이(1400′)의 대안적 구조를 예시하고 있으며, 이러한 구조는 도 32의 폴디드 사냑 센서 어레이(1400)와 거의 유사한 것이다. 도 33의 폴디드 사냑 센서 어레이(1400′)의 경우, 편광기(1352)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에서 보다는 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 위치하고 있다. 센서 어레이(716)의 상호적 구조로 인해, 편광 해제기(1352)를 광섬유(720)에 재할당하는 것은 폴디드 사냑 센서 어레이(1300)의 동작에 대해 폴디드 사냑 센서 어레이(1400′)의 전체 동작을 변경시키지는 않는다. 따라서, 폴디드 사냑 센서 어레이(1400′)의 동작에 대해 상술하지는 않기로 한다.
도 34는 본 발명에 따른 폴디드 사냑 센서 어레이(1600)의 대안적 실시예를 예시하고 있으며, 이 어레이는 도 30 내지 도 33과 관련하여 앞에서 설명한 것과 유사한 방식으로 어레이(716)에 연결되는 결합된 입력/출력 서브 시스템(1610)을 포함하고 있다.
도 34에서, 편광원(1620)은 편광 유지 광섬유(1622)의 축을 따라 선형 편광을 제공한다. 편광 유지 광섬유(1622)는 입력 출력 서브 시스템(1610)의 수직 축 에 대해 ±45°로 편광축이 배향되도록 회전된다. 광섬유(1622)로부터의 광은 제1 시준렌즈(1630)를 통해 입력/출력 서브시스템(1610)에 연결된다. 제1 시준 렌즈(1630)는 제1 PBS(Polarization beam splitter)의 제1 포트(1634)와 제4 포트(1640) 쪽으로 광이 향하도록 한다. 제2 포트(1636)는 제1 45° 패러데이 회전자(45°FR) 쪽으로 입력광의 일부가 향하도록 한다. 제3 포트(1638)는 제2 45° 패러데이 회전자(1644) 쪽으로 입력광의 일부가 향하도록 한다. 후술하는 바와 같이, 제4 포트(1640)는 출력광 중 선택된 일부가 검출 서브 시스템(1650)쪽으로 향하게 한다.
제1 패러데이 회전자(1642)를 지나는 광은 시준 렌즈(1660)에 의해 시준되고, 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 연결되며, 어레이(716)의 제2 센서부 쪽으로 전파되어 그 안에서 시계 방향으로 전파하게 된다.
제2 패러데이 회전자(1644)를 지나는 광은 λ/2 판(1662)을 지난다. 반파판(half-wave plate; 1662)은 제1 및 제2 복굴절축(도시되지 않음)을 갖는다. 복굴절축 중 하나는 유입광의 수직 편광축에 대해 22.5°의 각으로 배향되고, 소스(즉, 광의 수직 및 편광 사이에 놓이는 축)로부터 그쪽으로 향하는 광의 45° 편광에 대해서는 -22.5°로 배향된다. 배향의 목적에 대해서는 후술할 것이다. 반파판(1662)을 지나는 광은 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제1 포트(1672)에 진입하며, 또한, 제2 포트(1674), 제3 포트(1676) 및 제4 포트(1678)에도 진입한다. 후술하는 바와 같이, 제2 포트(1674)는 부가적인 소자에는 연결되지 않는다. 제3 포트(1676)로부터 출력되는 광은 제3 시준 렌즈(1680)쪽을 향하게 된다. 제4 포트(1678)로부터 출력되는 광은 제4 시준 렌즈(1682)쪽으로 향하게 된다.
제4 시준 렌즈(1682)를 지나는 광은 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 연결되며 편광 해제기(1352)를 통해 어레이(716)의 센서부를 지나 그 안에서 반시계 방향으로 전파하게 된다.
제3 시준 렌즈(1680)를 지나는 광은 공통 지연 광섬유(1342)의 끝에서 집속되며, 지연 루프(1344)를 통해 패러데이 회전 미러(1346)로 전파하며, 다시 지연 루프(1344)를 통해 다시 시준 렌즈(1680)쪽으로 전파한다. 이에 따라 반사된 광은 다시 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)쪽으로 향하게 된다.
상술한 바와 같이, 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제4 포트(1640)로부터의 광은 검출 서브 시스템(1650)으로 진입하게 된다. 검출 서브 시스템(1650)은 제1 빔 스플리터(1690), 제2 빔 스플리터(1692), 제1 복굴절 소자(1694), 제2 복굴절 소자(1696), 제1 검출기(1698), 제2 검출기(1700), 제1 편광기(1702), 및 제2 편광기(1704)로 이루어진다. 제4 포트(1640)로부터의 광의 제1 퍼센트는 제1 빔 스플리터(1690)에 의해 반사되어 제1 복굴절 소자(1694)와 편광기(1702)를 통해 제1 검출기(1698)를 지나게 된다. 제4 포트(1640)로부터의 광의 나머지 부분은 제1 빔 스플리터(1690)를 지나 제2 빔 스플리터(1692)에 입사하며, 이 경우 2퍼센트의 광은 제2 빔 스플리터(1692)에 의해 반사되어 제2 복굴절 소자(1696)와 제2 편광기(1704)를 통해 제2 검출기(1700)로 향하게 된다. 광의 나머지 부분은 제2 빔 스플리터(1692)를 지나 부가 소자(도시생략)로 향하게 된다. 2개의 검출만이 제공되면, 커플링의 제1퍼센트는 50%가 되는 것이 바람직하고, 제2 퍼센트는 100% 가 되는 것이 바람직하므로, 검출기(1698, 1700)는 거의 동일한 양의 광을 수광하게 된다. 만일 제3 검출기(도시생략)가 포함되면, 제1 퍼센트는 대략 33□ 퍼센트인 것이 유리하고, 제2 퍼센트는 대략 50%인 것이 유리하므로 제2 검출기(1700) 또한 초기광의 대략 33□ 퍼센트를 수광한다. 다음에 제3 검출기는 나머지 33□ 퍼센트를 수광한다.
도 34의 폴디드 사냑 센서 어레이(1600)는 다음의 방식으로 동작한다. 상술한 바와 같이, 제1 렌즈(1630)에 입사하는 광은 수직 및 수평축에 대해 45°로 배향된다. 따라서, 렌즈(1630)를 지나 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제1 포트(1634)에 진입하는 광은 편광에 대한 수평 상태의 성분과 편광에 대한 수직 상태의 성분을 갖고 있다. 수평 성분은 편광 빔 스플리터(1632)에 의해 제2 포트(1636)로 반사되고, 수직 성분은 편광 빔 스플리터(1632)를 통해 제3 포트(1638) 쪽으로 향하게 된다.
제2 포트(1636)로부터의 수평 성분은 제2 패러데이 회전자(1642)를 지나며, 편광 상태는 제1 방향(예를 들어, 시계 방향)에서 45° 회전하므로, 제1 패러데이 회전자(1642)로부터 빠져나오는 광은 45°의 선형 편광 상태를 갖는다. 광은 제2 렌즈(1660)를 지나 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 입력되어 시계 방향으로 어레이(716)를 통해 전파된다. 광은 어레이(716)내의 편광시 변화에 직면할 수도 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)를 통해 어레이(716)를 빠져나온 광은 편광 해제기(1352)를 지나게 되고, 이는 광의 적어도 일부가 수평 및 수직 편광 상태에 있도록 보장한다.
제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)로부터의 시계 방향 전파광은 제4 렌즈(1682)를 통해 입력/출력 서브시스템(1610)에 진입하여 제2 편광 빔 스플리터(1670)에 입사하게 된다. 제2 편광 빔 스플리터(1670)를 지나는 광의 수직 성분은 제2 포트(1674)로부터 출력되어 폐기된다. 광의 수평 편광 성분은 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)로 반사되고, 제3 렌즈(1680)를 통해 공통 지연 광섬유(1342)를 지나므로 지연 루프(1344)를 통해 광이 전파하도록 야기시키며, 편광의 수직 상태에서 패러데이 회전 미러(1346)에 의해 반사되며, 다시 지연 루프(1344)와 공통 지연 광섬유(1342)를 지나 제3 렌즈(1680)쪽으로 향하게 된다. 수직 편광 상태에서의 반사광은 제3 포트(1676)로부터 빔스플리터(1670)의 제1 포트(1672)를 지나며, 제2 패러데이 회전자의 반파판(1662)을 지나 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제3 포트(1638)쪽으로 향하게 된다. 반파판(1662)은 수직 편광축에 대해 22.5°에서 그 복굴절 축의 하나에 의해 배향되므로, 반파판(1662)에 입사하는 수직광은 복굴절축 주변에서 미러화가 초래되며, 반파판(1662)으로부터 빠져 나온 광의 편광 상태는 수직 및 수평축에 대해 45°로 배향된다. 제2 패러데이 회전자(1644)는 추가로 45° 정도 편광 상태를 회전시키므로 제2 패러데이 회전자(1644)로부터 빠져나와 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제3 포트(1638)에 입사하는 광은 수평 편광 상태를 갖게 된다. 따라서, 제3 포트(1638)에 진입하는 광은 제4 포트(1640)쪽으로 반사되어 수평 편광 상태의 검출 서브 시스템(1650)에 진입하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제1 포트(1634 )에 입사하는 입력광의 수직 성분은 제3 포트(1638)를 지난다. 광의 편광 상태는 수직 및 수평 편광축에 대해 45°의 편광 상태로 제2 패러데이 회전자(1644)에 의해 45° 회전된다. 다음에 광의 편광 상태는 반파판(1662)의 복굴절축에 대해 미러화되므로, 반파판으로부터 빠져나오는 광의 편광 상태는 다시 수직 방향으로 배향된다. 제2 패러데이 회전자(1644)의 비가역 작용으로 인해 좌측에서 우측으로 제2 패러데이 회전자(1644)를 지나고 다시 반파판(1646)을 지나는 수직 편광은 먼저 45°의 편광 상태로 회전하게 되고 이후 다시 수직 편광 상태로 미러화되게 된다. 이와 달리, 우측에서 좌측으로 지나는 수직 편광은 먼저 반파판(1646)에 의해 미러화되고, 이어서 제2 패러데이 회전자(1646)에 의해 수평 편광 상태로 회전하게 된다.
반파판(1662)으로부터의 수직 편광은 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제1 포트(1672)에 진입하여 제3 포트(1676)를 지나 제3 렌즈(1680)로 향하게 된다. 수직 편광은 공통 지연 광섬유(1342)를 지나, 지연 루프(1344)를 통해, 패러데이 회전 미러(1346)로 향하며, 지연 루프(1344)와 공통 지연 광섬유(1342)를 통해 다시 수평 편광으로서 반사된다. 수직으로 편광된 광은 제3 렌즈(1680)를 통해 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)로 지나가게 된다. 수직으로 편광된 광은 제4 포트(1678)쪽으로 반사되며, 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)의 제4 렌즈를 통해 그리고 편광 해제기(1352)를 지나 어레이(716)를 통해 반시계 방향으로 전파하게 된다.
반시계 방향으로 전파하는 광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)를 통해 어레이(716)로부터 빠져나와 제1 패러데이 회전자(1642)의 제2 렌즈(1660)를 지나 게 된다. 제2 패러데이 회전자(1642)는 광의 편광 상태를 45° 회전시킨다. 광은 편광 해제기(1352)에 의해 효과적으로 편광 해제되므로, 제1 패러데이 회전자(1642)를 통해 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제2 포트(1634)로 향하는 광은 수평 및 수직 편광 성분을 가지고 있다. 광의 수평 편광 성분은 제1 포트(1634)에서 반사되며, 제1 렌즈(1630)를 통해 입력 광섬유(1622)로 향하게된다. 아이솔레이터(isolator)는 광 흡수를 위해 포함되어 있는 것이 바람직하다.
제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제2 포트(1636)에 진입하는 반시계 방향 전파광의 수직 편광 성분은 제4 포트(1640)를 지나 시계 방향으로 전파하는 광의 수평 편광 성분과 조합된다. 도 30과 관련하여 앞에서 살펴 본 바와 같이, 반시계 방향으로 전파하는 광이 상대적 위상 시프트를 전혀 겪지 않으면, 광은 45°의 편광상태에서 선형적으로 편광된 광으로서 결합된다. 앞에서 추가로 논의한 바와 같이, 상대적 위상 시프트는 편광 상태의 변화를 초래한다.
복굴절 소자(1694, 1696)는 2개의 상이한 편광(예를 들어, 수평 및 수직 편광, +45°와 -45° 편광, 또는 좌측 회전 및 우측 회전 편광)시의 광에 대해 상대적 위상 시프트를 유도함으로써 검출기(1698, 1900)에 입사하는 광을 선택적으로 바이어스하기 위해 포함된다. 복굴절 소자는 선형 또는 회전 파장판(waveplates)(예를 들어, 1/4 파장판, 반파 파장판, 패러데이 회전자 등)을 구비하는 것이 유리할 수도 있다.
도 35는 도 34의 폴디드 사냑 센서 어레이(1600)와 유사한 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1750)를 예시하고 있으며, 소자들은 도 34의 것과 동일한 것은 동일한 참조 부호로 확인할 수 있다. 도 34의 실시예와 달리, 폴디드 사냑 센서 어레이(1750)는 편광원(1620) 대신에 비편광원(1720)을 포함하고 있다. 비편광원(1720)을 이용하기 위해, 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1750)는 제1 시준 렌즈(1630)와 제1 편광 빔 스플리터(1632) 사이에 45°편광기(1730)를 포함하고 있다. 45° 편광기(1730)는 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제1 포트(1634)상에 입사하는 광이 45°로 배향되도록 하고 이에 따라 수평 및 수직 편광시 거의 동일한 성분을 갖도록 하고 있다. 따라서, 도 35의 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1750)는 도 34의 폴디드 사냑 센서 어레이(1600)와 거의 동일한 방식으로 동작하며, 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1750)의 동작에 대해 추가 설명은 하지 않기로 한다.
도 36은 도 34 및 도 35의 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1600, 1750)와 유사한 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1800)의 추가 실시예를 각각 예시하고 있으며, 도 34와 도 35에서 동일한 소자에는 동일한 참조부호를 병기하고 있다. 도 34 및 도 35와 달리, 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1800), 편광기(1702, 1704)를 지나는 광 신호들은 검출기(1698 및 1700)로 향하지는 않는다. 오히려, 폴디드 사냑 센서 어레이(1800)는 편광기(1702) 주변에 위치한 시준 렌즈(1810)와 편광기(1704) 주변에 위치한 시준 렌즈(1812)를 포함하고 있다. 시준 렌즈(1810)는 편광기(1702)로부터의 광이 광섬유(1820)의 제1 단(1822)내로 향하도록 한다. 광섬유(1820)는 제1 검출기(1698)에 인접한 제2 단(1824)을 구비하고 있으며, 시준 렌즈(1810)로부터 광섬유(1820)에 진입하는 광은 제1 검출기(1698)에 입사한다. 마찬가지로, 시준 렌즈(1812)는 편광기(1702)로부터의 광이 광섬유(1830)의 제1 단(1832)으로 향 하게 한다. 광섬유(1830)는 제2 검출기(1700)에 인접해 있으며 시준 렌즈(1812)로부터 광섬유(1830)에 진입하는 광은 제2 검출기(1700)에 입사한다. 시준 렌즈(1810)와 광섬유(1820 및 1830)를 포함함으로써, 광섬유들은 검출기(1698 및 1700)의 거리에 대해서 광을 전달할 수 있으며, 검출기들은 검출 전자기기(도시되지 않음)에 인접한 위치에 위치할 수도 있다.
도 34, 도 35, 도 36에서, 편광기(1352)는 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1600), 폴디드 사냑 음향 센서 어레이(1750) 또는 폴디드 사냑 센서 어레이(1800)의 동작특성에 영향을 주지 않으면서 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)로부터 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 재위치할 수도 있음에 주목한다.
상기 실시예들은 초형광 소스(superfluorescent source)와 관련하여 설명이 이루어진 것이다. 당해 분야의 숙련된 자라면 다른 광원(예를 들어, 레이저)들이 사용될 수도 있음을 인식할 것이다.
본 발명에 따른 어레이에 대한 상기 설명은 수중 음향 감지에 대해 행해진 것이지만, 본 발명은 광섬유에서의 비가역 위상 변조를 발생시킬 수 있는 어떠한 측정치(measurand)를 감지하는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 만일, 상이한 측정치에 대해 응답하는 대안적 감지 장치에 의해 수중 청음기가 대체된다면, 어레이는 음파들이 검출되는 것과 동일한 방식으로 그 측정치를 검출해낼 것이다. 본 발명의 어레이는 진동, 관입(intrusion), 충격, 화학 작용, 온도, 액위(liquid level), 및 왜곡(strain)을 감지하는 데 바람직하게 사용될 수 있다. 본 발명의 어레이는 동일한 장소에 위치하거나 또는 다른 장소들(예를 들어, 배나 빌딩의 헐(hull)을 따라 여러 지점에서 다양한 장애를 탐지하기 위해)에 위치하는 다수의 서로 다른 센서들을 결합하는 것을 사용할 수도 있다. 다른 예시적 어플리케이션들은 교통량의 감시나 통제를 위해 고속도로상에서 이동중인 자동차 또는 활주로 상의 항공기를 탐지하여 추적하는 것을 포함하고 있다.
본 발명이 특정 실시예들을 설명하였지만, 실시예들에 대한 설명은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 제한하려는 의도는 없는 것이다. 첨부한 청구범위에서와 같은 본 발명의 취지와 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형 실시와 응용들이 당업자에 의해 행해질 수도 있을 것이다.
Claims (15)
- 광 펄스 소스와;상기 광 펄스를 제1 광학적 길이를 갖는 제1 광학적 경로와 센서 어레이에 연결하는 제1 결합기 -상기 센서 어레이는 적어도 제1 센서를 포함하고, 상기 제1 센서는 상기 제1 광학적 길이와는 상이한 제2 광학적 길이를 갖는 제2 광학적 경로에 위치함- 와;광학적 지연 경로와;제1 편광으로 상기 제1 광학적 경로로부터 수광된 광 펄스를 상기 광학적 지연 경로에 연결하고, 제2 편광으로 상기 어레이로부터 수광된 광 펄스를 상기 광학적 지연 경로에 연결하는 편광 종속 제2 결합기 -상기 제1 편광으로 상기 광학적 지연 경로에 연결된 광 펄스들은 상기 제2 편광으로 상기 광학적 지연 경로로부터 상기 제2 결합기에 복귀되며, 상기 제2 편광으로 상기 광학적 경로에 연결된 상기 광 펄스는 상기 제1 편광으로 상기 광학적 지연 경로로부터 제2 결합기로 복귀하며, 상기 제2 결합기는 상기 제1 편광으로 상기 광학적 지연 경로로부터 상기 제2 결합기로 복귀하는 상기 광 펄스들을 상기 제1 광학적 경로에 연결하여 그 연결 경로 내에서 상기 제1 결합기로 전파하고, 상기 제2 결합기는 상기 제2 편광으로 상기 광학적 지연 경로로부터 상기 제2 결합기로 복귀하는 광 펄스들을 상기 어레이에 연결하여 그 경로 내에서 상기 제1 결합기로 전파하도록 하며, 상기 제1 결합기는 상기 제1 광학적 경로로부터의 상기 광 펄스와 상기 어레이로부터의 광 펄스를 결합하여 상기 제1 광학적 경로와 상기 어레이를 통해 동일한 거리를 이동하는 광 펄스들이 간섭하여 검출 가능한 출력 신호를 생성하도록 하며, 상기 검출 가능한 출력 신호는 상기 제1 센서에 부딪히는 음향 에너지에 따라서 변화함- 와;상기 검출 가능한 출력 신호를 검출하여 상기 제1 결합기로부터의 상기 검출 가능한 출력 신호에서의 변화에 응답하여 검출기 출력 신호를 생성하는 적어도 하나의 검출기를 포함하는 음향 센서.
- 제1항에 있어서,상기 어레이 내에 제2 센서를 더 구비하고, 상기 제2 센서는 상기 제1 광학적 길이 및 상기 제2 광학적 길이와는 상이한 제3 광학적 길이를 갖는 제3 광학적 경로 내에 위치하는 음향 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 편광 종속 제2 결합기는 편광 빔 스플리터를 포함하는 음향 센서.
- 제1항에 있어서,상기 광학적 지연 경로는 광 도파관 길이 및 편광 회전 반사기를 포함하고;상기 반사기는 상기 제1 편광으로 상기 반사기에 입사하는 광이 상기 제2 편광의 광으로서 반사되도록 하며;상기 반사기는 상기 제2 편광으로 상기 반사기에 입사하는 광이 상기 제1 편광의 광으로서 반사되도록 하는 음향 센서.
- 제4항에 있어서, 상기 편광 회전 반사기는 패러데이 회전 미러를 포함하는 음향 센서.
- 제1항에 있어서,상기 제1 광학적 경로는, 상기 제1 광학적 경로를 통해 제1 방향으로 전파하는 광과 상기 제1 광학적 경로를 통해 제2 방향으로 전파하는 광이 상대적 위상 시프트를 겪도록 하여 상기 제1 결합기내의 결합광이 위상 바이어스를 갖도록 하는 비가역 위상 시프터(non-reciprocal phase shifter)를 포함하는 음향 센서.
- 제6항에 있어서,상기 제1 광학적 경로와 평행한 제3 광학적 경로를 더 포함하되, 상기 제1 광학적 경로와 상기 제3 광학적 경로 중 하나의 광학적 경로는, 상기 제1 광학적 경로가 상기 제3 광학적 경로의 광학적 경로 길이와는 상이한 광학적 경로 길이를 갖도록 하는 광학적 지연 경로를 포함하며, 따라서 상기 제1 광학적 경로를 통해 전파되는 광은 상기 제2 광학적 경로를 통해 전파되는 광의 전파 시간과는 상이한 전파 시간을 가짐으로써 상기 광 펄스를 시간 다중화하는 음향 센서.
- 제6항에 있어서,상기 비가역 위상 시프터는 제1 패러데이 회전자, 1/4 파장판 및 제2 패러데이 회전자를 포함하되, 상기 제1 패러데이 회전자, 상기 1/4 파장판 및 상기 제2 패러데이 회전자는, 상기 제1 방향으로 전파되는 광이 상기 제1 패러데이 회전자를 통과하고, 이어서 상기 1/4 파장판, 그 후, 상기 제2 패러데이 회전자를 지나도록 하고, 상기 제2 방향으로 전파되는 광이 상기 제2 패러데이 회전자를 통과하고, 이어서 상기 1/4 파장판, 그 후, 상기 제1 패러데이 회전자를 지나도록 위치하는 음향 센서.
- 제6항에 있어서,상기 비가역 위상 시프터는 제1 1/4 파장판, 패러데이 회전자 및 제2 1/4 파장판을 포함하되, 상기 제1 1/4 파장판, 상기 패러데이 회전자 및 상기 제2 1/4 파장판은, 상기 제1 방향으로 전파되는 광이 상기 제1 1/4 파장판을 통과하고, 이어서 상기 패러데이 회전자, 그 후, 상기 제2 1/4 파장판을 지나도록 하고, 상기 제2 방향으로 전파되는 광이 상기 제2 1/4 파장판을 통과하고, 이어서 상기 패러데이 회전자, 그 후, 상기 제1 1/4 파장판을 지나도록 위치하는 음향 센서.
- 입력 광 펄스 소스와;광 센서 어레이와;광학적 지연 경로와;광학적 검출 시스템과;상기 입력 광 펄스를 수광하는 입력/출력 시스템을 포함하며,상기 입력/출력 시스템은 제1 편광을 갖는 각각의 광 펄스의 제1 부분을 제1 방향으로 상기 광 센서 어레이를 통해, 이어서 지연 경로를 통해, 이어서 상기 광학적 검출 시스템 쪽으로 지향되도록 하고,상기 입력/출력 시스템은 제1 편광에 대해 직교하는 제2 편광의 각각의 광 펄스의 제2 부분을 상기 광학적 지연 경로를 통해, 이어서 제2 방향으로 상기 광학 센서 어레이를 통해, 그 후, 광학적 검출 시스템 쪽으로 향하도록 하며,상기 광학적 검출 시스템은 상기 제1 및 제2 편광의 광 펄스를 수신하며 상기 광 센서에서의 섭동에 의해 야기된 광 펄스의 변화를 검출하는 음향 센서.
- 입력 광 신호를 생성하는 단계와;상기 입력 광 신호를 상기 제1 및 제2 전파 경로에 연결하여 그 경로 내에서 각각의 제1 방향으로 전파하도록 하는 단계-상기 제1 및 제2 전파 경로는 각각의 제1 및 제2 광학적 길이를 가지며, 상기 제1 및 제2 전파 경로는 각각의 제1 및 제2 출력 광 부분을 출력하고, 상기 제1 및 제2 출력 광 부분은 상기 제1 및 제2 광학적 경로 길이의 차이에 따라 서로 다른 시간에 상기 제1 및 제2 전파 경로로부터 출력되며, 상기 제2 출력 광 부분은 상기 제2 전파 경로에 부딪히는 음향 신호에 의해 변조됨-와;상기 제1 광 부분을 제1 편광으로 지연 경로에 연결하고 상기 제2 광 부분을 제2 편광으로 상기 제2 지연 경로에 연결하는 단계 -상기 지연 경로는 상기 제1 출력 광 부분에 대응하는 제1 지연 광 부분을 출력하고, 상기 제1 지연 광 부분은 상기 제2 편광을 가지며, 상기 지연 경로는 상기 제2 출력 광 부분에 대응하는 제2 지연광 부분을 출력하고, 상기 제2 지연 광 부분은 상기 제1 편광을 가짐- 와;상기 제1 및 제2 지연 광 부분을 상기 제1 및 제2 전파 경로에 연결하여 그 경로 내에서 상기 각각의 제1 방향에 반대되는 각각의 제2 방향으로 전파하도록 하는 단계 -상기 제1 전파 경로는 제1 복귀 광 부분의 세트를 출력하고, 상기 제1 복귀 광 부분의 세트는 상기 제1 및 제2 지연 광 부분 각각에 대한 각각의 복귀 광 부분을 포함하고, 상기 제2 전파 경로는 제2 복귀 광 부분의 세트를 출력하며, 상기 제2 복귀 광 부분의 세트는 상기 제1 및 제2 지연 광 부분 각각에 대한 각각의 복귀 광 부분을 포함함- 와;상기 제1 및 제2 복귀 광 부분의 세트를 적어도 하나의 검출기에 연결하는 단계 -상기 제1 및 제2 복귀 광 부분의 세트 내의 상기 복귀 광 부분은, 동일한 광학적 경로 길이를 이동하고 간섭하여 검출 가능한 출력 신호를 생성하는 출력 광 부분과 지연 광 부분으로부터 발생함- 와;상기 검출 가능한 출력 신호를 선택적으로 검출하여 상기 제1 전파 경로에서 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향 중 어느 하나의 방향으로 전파된 광 부분들의 간섭으로부터 발생하는 출력 신호만을 검출하는 단계 -상기 검출 가능한 출력 신호는 상기 제2 전파 경로에 부딪히는 상기 음향 신호에 따라서 변화함-를 포함하는 음향 신호 검출 방법.
- 광원과;공통 경로와 검출 어레이에 광을 연결하여 그 경로 내의 각각의 제1 방향으로 전파하도록 하는 제1 결합기 -상기 검출 어레이는 복수의 검출 경로를 포함함- ;상기 공통 경로와 상기 검출 어레이로부터의 광을 지연 경로에 연결하는 편광 종속 제2 결합기 -상기 제2 결합기는 상기 공통 경로로부터 상기 지연 경로에 제1 편광의 광만을 연결하고, 상기 제2 결합기는 상기 검출 어레이로부터 상기 지연 경로에 제2 편광의 광만을 연결하며, 상기 지연 경로는 상기 제1 편광의 광을 상기 제2 편광으로 회전시키고 상기 제2 편광의 광을 상기 제1 편광으로 회전시키며, 상기 제2 결합기는 또한 상기 제1 편광의 상기 지연 경로로부터의 광을 상기 공통 경로로 연결하며 상기 제2 편광의 상기 지연 경로로부터의 광을 상기 검출 어레이에 연결하여 그 경로 내에서 각각의 제2 방향으로 상기 제1 결합기로 전파되도록 하며, 상기 제1 결합기는 상기 각각의 제2 방향으로 전파하는 상기 광에 응답하여 출력광을 제공함- 과;상기 제1 결합기로부터의 상기 출력광을 수광하여 상기 제1 결합기 내에서의 광의 간섭에 응답하여 출력 신호를 생성하는 검출기를 포함하는 센서.
- 제12항에 있어서,상기 지연 경로는 광섬유 길이 및 편광 회전 반사기를 포함하고, 상기 광섬유의 길이는 광학적 지연 시간을 제공하도록 선택되고, 상기 광은 상기 제2 결합기로부터 상기 반사기에 상기 광섬유를 통해 전파되며, 상기 반사기는 상기 광섬유 내로 광을 반사하여 상기 광섬유를 통해 상기 제2 결합기에 전파시키며, 상기 반사기는 또한 상기 제1 편광으로 입사하는 광을 상기 제2 편광으로 회전시키고 상기 제2 편광으로 입사하는 광을 상기 제1 편광으로 회전시키는 센서.
- 제13항에 있어서, 상기 반사기는 패러데이 회전 미러를 포함하는 센서.
- 제13항에 있어서,상기 편광 종속 제2 결합기는 편광 빔 스플리터를 포함하고, 상기 제2 지연 경로는 상기 편광 빔 스플리터의 포트로부터 상기 광을 수광하고 상기 편광 빔 스플리터의 상기 포트에 광을 복귀시키는 센서.
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