KR100850401B1 - 두 개의 지연 코일 사냑-형 센서 어레이 - Google Patents

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Abstract

폴디드 Sagnac 광섬유 센서 어레이는 다운리드 섬유의 분포 픽업을 감소시키기 위해 공통 지연 경로를 이용한다. 이 센서 어레이는 교란(가령, 물속에서의 음향 파)을 검출하는 데 사용된다. 폴디드 Sagnac 센서 어레이를 Sagnac 간섭계와 유사한 동작 원리를 바탕으로 구현함으로서, 폴디드 Sagnac 센서 어레이는 안정한 바이어스 포인트를 가지게 되고, 감소된 위상 잡음을 가지게 되며, 고비용의 협선폭 레이저(narrowline laser)보다 광대역 신호 광원을 이용할 수 있다. 이 센서 어레이의 구조에 수많은 센서들이 멀티플렉싱될 수 있다. 특정한 선호 실시예에서, 센서 어레이는 입력 광 신호의 실질적으로 동등한 부분들을 어레이 내 각각의 센서에 보내도록 선택되는 커플러 및 증폭기와 함께 구성된다. 또한가지 선호 실시예에서, 센서의 동적 범위를 증가시키도록 제 1 및 2 파장의 광에 대한 제 1 및 2 지연 경로(2210, 2212)가 제공된다.

Description

두 개의 지연 코일 사냑-형 센서 어레이{TWO DELAY COILS SAGNAC-BASED SENSOR ARRAY}
본 발명은 빛이 어레이를 투과하는 동안 외부 음향 신호의 영향으로 빛에 가해진 변화를 분석하여 음향신호의 특성을 측정하는 배열형 광섬유 음향 센서 기술분야에 속한다.
광섬유 기반 음향 센서는 기존의 전자 센서에 대한 유력한 대안으로 대두되고 있으며, 강점으로는 고감도, 폭넓은 측정 범위, 소형 및 경량 등을 꼽을 수 있다. 그와 더불어, 수 많은 광섬유 센서를 손쉽게 공동 버스에 다중으로 연결할 수 있기 때문에 대규모의 어레이로 구성할 수 있다는 점 또한 광섬유 센서의 매력적인 강점이라 할 수 있다. 최근, 한 가닥의 광섬유가 지탱할 수 있는 센서의 수를 늘리기 위하여 광섬유 센서 어레이에 다중 저이득의 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA)를 성공적으로 결합시킴에 따라 대규모 광섬유 센서 어레이는 더욱더 경쟁력을 갖게 되었다.
음향 검출용 광섬유 센서로 그 동안 마크젠더(Mach Zehnder) 간섭계 센서가줄곧 사용되었다. 모든 간섭계 센서에서 위상 변조는 2승 여현 함수(raised cosine
function)를 사용한 휘도 변조 곡선으로 표현되는데, 이 비선형 전달 함수 때문에 사인 곡선의 위상 변조는 상위 차수의 고조파를 발생하게 된다. 직각 위상으로 바이어스된(π/2 위상으로 간섭하는) 간섭계는 일차 고조파에서 응답 최대치를, 이차 고조파에서는 응답 최소치를 보인다. 이 때문에, 직각 위상을 기본 바이어스 포인트이라고 한다. 바이어스 포인트가 직각 위상에서 벗어날수록(이를 테면, 외부온도 변화 등으로 인해), 일차 고조파의 응답은 감소하고 이차 고조파의 응답은 증가 한다. 따라서, 간섭계가 0또는 π위상에서 바이어스되는 경우, 일차 고조파는 완전히 사라져 버린다. 간섭계의 바이어스 포인트가 직각 위상에서 점점 멀어진 결과, 일차 고조파에서 이렇게 감소한 응답을 신호 페이딩이라고 부른다.
마크젠더 간섭계 센서는 불안정한 바이어스 포인트를 가지기 때문에 앞서 언급한 신호 페이딩 문제에 특히 쉽게 부딪힌다. 신호 페이딩을 해결하기 위해서는,
반송 신호의 복조가 요구된다. 대표적 복조 기술은 PGC(Phase-Generated Carrier)
방식인데, 이 방식을 사용하려면 경로 불일치(path-mismatched) 마크젠더 간섭계 센서를 써야한다.(참고 자료: Anthony Dandridge 외 기타(著), Multiplexing of Interferometric Sensors Using Phase Carrier Techniques, Journal of Lightwave Technology, Vol.LT-5, No.7, 1987년 7월, 947-952페이지 참조.) 이런 경로 불균형 역시 레이저 위상 잡음을 휘도 잡음으로 변환시키는 원인이 되는데, 이 때문에 저주파에서 배열형 마크젠더 간섭계 센서의 성능이 제한되며 광원의 선(linewidth) 요건이 엄격히 요구되고있다. 이 좁은 선폭 요건 때문에 배열형 증폭 마크젠더 간섭계 센서의 발전은 1.55㎛에서 더 이상 속도를 내지 못하고 있는 것이다.
사냑(Sagnac) 간섭계는 광섬유 자이로스코프에서 광범위하게 이용되고 있다. (참고 자료: B.Calshaw 외 기타(著), Fibre optic gyroscopes, Journal of Physics
E(Scientific Instruments),Vol.16, No.1, 1983년, 5-15 페이지 참조.) 또한, 사냑
간섭계는 음향파를 검출하는데 이용될 수 있다고 제안되었다.(참고 자료: E.Udd(著), Fiber-optic acoustic sensor based on the Sagnac interferometer, Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, Vol.425,1983년,90-91페이지; Kjell Krakenes 외 기타(著), Sagnac interferometer
for underwater sound detection: noise properties, OPTICS LETTERS, Vol.14, No.20, 1989년 10월 15일, 1152-1145 페이지; Sverre Knudsen 외 기타(著), An Ultrasonic Fiber-Optic Hydrophone Incorporating a Push-Pull Transducer in a Sagnac Interferometer, JOURNAL OF LIGHTWAVE THECHNOLOGY, Vol.12, No.9, 1994년 9월, 1696-1700 페이지 참조.) 사냑 간섭계는 공통 경로로 설계되어 있기 때문에 가역적이다. 따라서 안정된 바이어스 포인트를 갖게 되어 신호 페이딩을 제거하고 광원 위상 잡음이 휘도잡음으로 변환되는 것을 방지한다. 그러므로, 사냑 간섭계는 마크젠더 간섭계 센서의 성능을 저주파에서 제한했던 위상 잡음의 영향을 받지 않는다.
본 발명의 요소 중 하나인 센서 어레이는 광원과 광원으로부터 빛을 수신하는 첫 번째 결합기로 구성되어 있다. 첫 번째 결합기는 빛의 첫 번째 부분을 첫 번째 결합기 포트에 연결하고 빛의 두 번째 부분을 두 번째 결합기 포트에 연결한다. 간섭계 루프는 빛의 첫 번째 부분을 수신하는 첫 번째 결합기 포트에 연결된 첫 번 째 종단과 빛의 두 번째 부분을 수신하는 두 번째 결합기 포트에 연결된 두 번째 종단을 가지고 있다. 간섭계 루프는 첫 번째 방향 내 빛의 첫 번째 부분을 두 번째 결합기 포트로 전파하고 첫 번째 방향과 반대에 있는 빛의 두 번째 부분을 첫 번째 결합기 포트로 전파한다. 간섭계 루프는 간섭계 루프의 첫 번째 종단과 두 번째 종단 사이에 평행하게 결합된 복수의 센서로 구성된다. 센서들은 감지한 파라미터(예 음향 신호)에 대응하여 센서를 통과하는 빛을 교란한다. 첫 번째 복수의 결합기는 각 센서에 거의 동일하게 빛의 첫 번째 부분을 분배하고, 각 센서들로부터 빛의 두 번째 부분을 수집하며, 수집한 빛을 간섭계 루프의 첫 번째 종단으로 전파한다. 두 번째 복수의 결합기는 각 센서에 거의 동일하게 빛의 두 번째 부분을 분배하고, 각 센서들로부터 빛의 첫 번째 부분을 수집하며, 수집한 빛을 간섭계 루프의 두 번째 종단으로 전파한다. 최소한 하나의 첫 번째 증폭기가 간섭계 루프의 첫 번째 종단과 첫 번째 복수의 결합기 사이에 연결되어 있다. 최소한 하나의 두 번째 증폭기가 간섭계 루프의 두 번째 종단과 두 번째 복수의 결합기 사이에 결합되어 있다. 복수의 지연 부분들은 간섭계 루프의 첫 번째 및 두 번째 종단과 센서들 사이에 연결된다. 지연 부분들은 각 센서를 통과하는 빛이 다른 센서를 통과하는 빛 보다 다른 양으로 지연될 수 있도록 지연을 선택해 놓았다. 되도록이면 첫 번째 복수의 결합기는 첫 번째 증폭기로부터 빛의 첫 번째 부분을 수신하고, 첫 번째 분배 결합기와 첫 번째 복수의 내부 결합기 사이에 결합되어 있는 첫 번째 복수의 내부 증폭기들에게 빛의 첫 번째 부분을 분배하는 첫 번째 분배 결합기가 추가로 구성된다. 첫 번째 분배 결합기는 첫 번째 복수의 내부 증폭기들로부터 빛의 두 번째 부분을 수 집하고, 첫 번째 증폭기에게 빛의 두 번째 부분을 전파한다. 또한 되도록이면 두 번째 복수의 결합기는 두 번째 증폭기로부터 빛의 두 번째 부분을 수신하고, 두 번째 분배 결합기와 두 번째 복수의 내부 결합기 사이에 결합되어 있는 두 번째 복수의 내부 증폭기들에게 빛의 두 번째 부분을 분배하는 두 번째 분배 결합기가 추가로 구성된다. 두 번째 분배 결합기는 두 번째 복수의 내부 증폭기들로부터 빛의 첫 번째 부분을 수집하고, 두 번째 증폭기에게 빛의 두 번째 부분을 전파한다. 첫 번째 복수의 내부 결합기들은 복수의 센서들에게 빛의 첫 번째 부분을 배분하고, 복수의 센서들로부터 빛의 두 번째 부분을 수집한다. 두 번째 복수의 내부 결합기들은 복수의 센서들에게 빛의 두 번째 부분을 배분하고, 복수의 센서들로부터 빛의 두 번째 부분을 수집한다. 유리하게도, 광원은 예를 들면 초형광(superfluorescent) 섬유질 광원과 같이 광대역 광원이다. 또한 유리하게도 첫 번째 및 두 번째 증폭기와 첫 번째 및 두 번째 복수의 내부 증폭기들은 에르븀 첨가 광섬유 증폭기이며, 첫 번째 및 두 번째 배분 결합기와 첫 번째 및 두 번째 복수의 내부 결합기들은 4 x 4 결합기들로 구성된다.
본 발명의 다른 요소 중의 하나는 루프 내의 첫 번째 및 두 번째 방향에서 거의 같은 부분으로 빛을 역전파 되는 것과 같이 광원으로부터 간섭계 루프를 통해 빛을 전파시키는 것으로 구성된 파라미터의 감지 방법이다. 간섭계 루프의 첫 번째 방향에서 전파되는 빛은 증폭되고, 첫 번째 방향 내에서 거의 같은 부분의 전파되는 빛이 각 센서들을 통해 통과되는 것과 같이 복수의 센서들에 결합된다. 간섭계 루프의 두 번째 방향에서 전파되는 빛은 증폭되고, 두 번째 방향 내에서 거의 같은 부분의 전파되는 빛이 각 센서들을 통해 통과되는 것과 같이 복수의 센서들에 결합된다. 첫 번째 방향 내에서의 빛 전파는 첫 번째 및 두 번째 방향 내에서 각 센서를 통과하는 빛에 대응하는 복수의 출력 신호를 발생시키기 위해 두 번째 방향 내에서의 빛 전파에 의해 간섭된다. 각 센서들은 감지된 파라미터(예 음향 신호)에 대응하여 통과하는 빛을 섭동시키고, 특정 시간에서 두 번째 방향 내에서의 빛 전파와 간섭되는 첫 번째 방향 내에서의 빛 전파와 같이 각 센서들은 고유의 광학 경로 길이를 가지고 있다.
본 발명의 다른 요소 중의 하나는 첫 번째 및 두 번째 동작 범위(dynamic range)에 걸친 섭동을 감지하는 센서 시스템이다. 센서 시스템은 첫 번째 파장에서의 입력 광 펄스원과 두 번째 파장에서의 입력 광 펄스원으로 구성된다. 시스템은 센서 배열, 첫 번째 파장에서의 첫 번째 광학 지연 경로 및 두 번째 파장에서의 두 번째 광학 지연 경로를 포함한다. 첫 번째 검출 시스템은 첫 번째 파장에서의 빛에 대응하고, 두 번째 검출 시스템은 두 번째 파장에서의 빛에 대응한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 및 두 번째 파장에서의 입력 광 펄스를 수신한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 방향 내에서 센서 배열을 통해 첫 번째 편(polarization)을 가지는 첫 번째 파장에서 각 광 펄스의 첫 번째 부분을 조작한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 두 번째 방향 내에서의 센서 배열을 통해, 그 다음에는 첫 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광과 직교하는 두 번째 편광 내 첫 번째 파장에서 각 광 펄스의 두 번째 부분을 조작한다. 첫 번째 검출 시스템은 첫 번째 동작 범위에 걸쳐 다양한 섭동에 의해 발생한 수신된 빛에서의 편차를 검출한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 방향 내에서의 센서 배열, 그 다음에는 두 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 두 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광을 가지면서 두 번째 파장에서의 각 광 펄스의 첫 번째 부분을 조작한다. 입력/출력 시스템은 두 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 두 번째 방향 내에서의 센서 배열을 통해, 그 다음에는 두 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광과 직교하는 두 번째 편광 내 두 번째 파장에서 각 광 펄스의 두 번째 부분을 조작한다. 두 번째 검출 시스템은 두 번째 동작 범위에 걸쳐 다양한 섭동에 의해 발생한 수신된 빛에서의 편차를 검출한다.
본 발명의 다른 요소 중의 하나는 첫 번째 및 두 번째 동작 범위에 걸친 음향을 감지하는 음향 센서 시스템이다. 음향 센서 시스템은 첫 번째 파장에서의 입력 광 펄스원 및 두 번째 파장에서의 입력 광 펄스원으로 구성된다. 음향 센서 시스템은 음향 센서 배열, 첫 번째 파장에서의 첫 번째 광학 지연 경로 및 두 번째 파장에서의 두 번째 광학 지연 경로도 포함한다. 첫 번째 검출 시스템은 첫 번째 파장에서의 빛에 대응한다. 두 번째 검출 시스템은 두 번째 파장에서의 빛에 대응한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 및 두 번째 파장에서의 입력 광 펄스를 수신한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 방향에서의 음향 센서 배열을 통해, 그 다음에는 첫 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 첫 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광을 가지는 각 광 펄스의 첫 번째 부분을 조작한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 두 번째 방향 내에서의 음향 센서 배열을 통해, 그 다음에는 첫 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광과 직교하는 두 번째 편광 내 첫 번째 파장에서 각 광 펄스의 두 번째 부분을 조작한다. 첫 번째 검출 시스템은 첫 번째 동작 범위에 걸쳐 음향 신호의 변화에 의해 발생하는 수신된 빛에서의 편차를 검출한다. 입력/출력 시스템은 첫 번째 방향 내에서의 음향 센서 배열, 그 다음에는 두 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 두 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광을 가지면서 두 번째 파장에서의 각 광 펄스의 첫 번째 부분을 조작한다. 입력/출력 시스템은 두 번째 광학 지연 경로를 통해, 그 다음에는 두 번째 방향 내에서의 음향 센서 배열을 통해, 그 다음에는 두 번째 검출 시스템으로 첫 번째 편광과 직교하는 두 번째 편광 내 두 번째 파장에서 각 광 펄스의 두 번째 부분을 조작한다. 두 번째 검출 시스템은 두 번째 동작 범위에 걸쳐 음향 신호의 변화에 의해 발생하는 수신된 빛에서의 편차를 검출한다.
본 발명의 다른 요소 중의 하나는 섭동 감지 방법이다. 이 방법은 첫 번째 파장에서의 첫 번째 광학 지연 경로를 포함하는, 첫 번째 파장의 광 펄스를 센서 배열로 입력하는 것을 구성한다. 또한 두 번째 파장의 광 펄스들은 센서 배열의 입력들이다. 두 번째 광학 지연 경로는 첫 번째 광학 지연 경로와 다른 광학 길이를 가지고 있다. 첫 번째 편광을 가지는 첫 번째 파장에서의 각 광 펄스의 첫 번째 부분은 첫 번째 방향 내의 센서 배열을 통해 조작되고, 그 다음에는 첫 번째 광학 지연 경로를 통해 조작된다. 첫 번째 편광과 수직인 두 번째 편광 내 첫 번째 파장에서의 각 광 펄스의 두 번째 부분은 첫 번째 광학 지연 경로를 통해 조작되고, 그 다음에 두 번째 방향 내의 센서 배열을 통해 조작된다. 첫 번째 동작 범위에 걸친 섭동의 변화에 의해 발생된, 첫 번째 파장에서의 각 광 펄스의 첫 번째 및 두 번째 부분의 편차가 검출된다. 첫 번째 편광을 가지는 두 번째 파장에서의 각 광 펄스의 첫 번째 부분은 첫 번째 방향 내의 센서 배열을 통해 조작되고, 그 다음에는 두 번째 광학 지연 경로를 통해 조작된다. 첫 번째 편광과 수직인 두 번째 편광 내 두 번째 파장에서의 각 광 펄스의 두 번째 부분은 두 번째 광학 지연 경로를 통해 조작되고, 그 다음에 두 번째 방향 내의 센서 배열을 통해 조작된다. 두 번째 동작 범위에 걸친 섭동의 변화에 의해 발생된, 두 번째 파장에서의 각 광 펄스의 첫 번째 및 두 번째 부분의 편차가 검출된다. 방법의 특정한 구체화에서는, 섭동들이 음향 신호들이다.
본 발명의 내용을 상세히 설명하기 위해 다음과 같은 도면 도들을 첨부한다:
도 1은 단일 감지 루프로 되어있는 전형적인 사냑 간섭계를 묘사하고 있다;
도 2는 센서 어레이를 구성하고 있는 각각의 결합단마다 추가적인 사냑 간섭계를 형성하고있는 본 발명의 사냑 센서 어레이를 잘 묘사하고있다;
도 3은 음향 커플링 및 소실로 감소된 신호 전력을 재생시키기 위해 에르븀 첨가 광섬유 증폭기를 포함하고 있는 사냑 센서 어레이를 잘 묘사하고있다;
도 4는 세 가지의 두드러진 해상 소음(ocean floor noise)과 비교한 본 발명의 사냑 간섭계의 주파수 응답 그래프를 묘사하고있다;
도 5는 마크젠더 간섭계를 사용한 경우와 본 발명의 사냑 간섭계를 사용한 경우의 최대 검출 음향신호 그래프와 최소 검출 음향신호 그래프들을 서로 비교한 것으로, 이 도을 통해, 사냑 간섭계가 광범위한 주파수 영역 내에서 상대적으로 일 정한 동작 범위를 보여 주고있음을 알 수 있다;
도 6은 하이드로폰 및 지연 루프 내에서 광섬유의 길이가 서로 상이한 세 가지의 사냑 간섭계 구성에 대한 주파수 별 최소 검출 음향신호 그래프들을 서로 비교한 도이다;
도 7은 간섭계의 동작 범위를 증가시키기 위해 추가적 지연루프를 포함하고있는 본 발명의 사냑 간섭계를 묘사하고있다;
도 8은 도 7의 간섭계에 의해 확보되는 동작범위를 잘 표현하고 있는 그래프이다;
도 9A는 센서 어레이 시스템의 건단(dry end)에 간섭계의 지연 루프를 배치시킨 도이다;
도 9B는 센서 어레이 시스템의 습단(wet end)에 간섭계의 지연 루프를 배치시킨 도이다;
도 10은 도 9B의 사냑 간섭계를 위상 변조 효과를 계산할 때 사용된 길이를 나타내는 수식으로 잘 설명하고 있는 도이다;
도 11은 지연루프 상에 가해지는 음향파 효과를 줄이기 위해 지연루프를 휘감는 방법을 보여 주는 도이다;
도 12는 센서들에 의해 발생되는 신호로부터 손실될 수 있는 분산 픽업 잡음을 검출하는 空결합단을 포함하고있는 본 발명의 사냑 간섭계를 묘사하고있다;
도 13은 페이딩을 야기시키는 편광 효과를 줄이기 위해 감극제를 포함시킨 본 발명의 사냑 간섭계를 묘사하고있다;
도 14는 다중 주파수 분할 방식을 활용한 사냑 간섭계를 묘사하고있다;
도 15는 도 14의 간섭계에서 지연 변조신호와 복귀 센서신호 사이에서 비트 신호가 발생하는 것을 보여 주는 그래프이다;
도 16은 다중 코드 분할 방식을 활용한 사냑 간섭계를 묘사하고있다;
도 17은 폴더형 사냑 음향 광섬유 센서 어레이의 구조를 묘사하고있다;
도 18은 주기별 반송 펄스의 수를 나타내는 그래프로, 신호 펄스 및 잡음 펄스 시간에 분리가 일어났음을 보여 준다;
도 19는 확장된 동작 범위를 제공하기위해 두 번째 지연루프를 포함시킨 폴더형 사냑 음향 광섬유 센서 어레이를 묘사하고있다;
도 20은 도 17의 반사기 위치에 위상 변조기와 무효화 회로(nulling circuitry)를 첨가시킨 폴더형 사냑 음향 광섬유 센서 어레이를 묘사하고있다;
도 21은 도 19의 추가 대체 구현 방법으로 두 개의 지연 루프들을 결합기의 서로 다른 포트에 연결시킨 것을 묘사하는 도이다;
도 22는 패러데이 회전경을 이용하는, 광섬유 음향 센서 어레이 시스템의 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 23A, 23B, 및 23C는 감극제, 편광 빔 분리기 및 패러데이 회전경과 함께 비평광된 광원을 사용하는, 광섬유 음향 센서 어레이의 추가 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 24는 광 서큘레이터, 2×2 결합기, 및 비가역 위상 변환기와 함께 비평광된 광원을 사용하는, 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하 고있다;
도 25는 감극제를 두 번째 어레이 입력/출력 광섬유에 배치시킨 것 외에는 도 24와 유사한 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 26은 도 24와 도 25에 있는 비가역 π/2 위상 변의 가장 선호되는 구현 방법으로, 위상 변환기를 통해 첫 번째 방향으로 투과하는 편광에 미치는 효과를 묘사하고있다;
도 27은 도 26의 위상 변환기를 통해 두 번째 (반대) 방향으로 투과하는 편광에 미치는 효과를 묘사하고있다;
도 28은 도 24와 도 25에 있는 비가역 π/2 위상 변환기의 대체 선호 구현 방법으로, 위상 변환기를 통해 첫 번째 방향으로 투과하는 편광에 미치는 효과를 묘사하고있다;
도 29는 도 28의 위상 변환기를 통해 두 번째 (반대) 방향으로 투과하는 편광에 미치는 효과를 묘사하고있다;
도 30은 다중 검출기에 대해서 편광 기반 바이어스 기법을 활용하고, 각 검출기마다 다른 검출기들의 바이어스 포인트와 상관 없이 각자 바이어스 포인트를 독립적으로 세팅할 수 있도록 구현하는, 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 추가 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 31은 감극제를 두 번째 어레이 입력/출력 광섬유에 배치시킨 것 이외에는 도 30과 유사한 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하고있 다;
도 32는 2×2 결합기 대신 광 서큘레이터를 사용한 것 외에는 도 30과 유사한 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 33은 감극제를 두 번째 어레이 입력/출력 광섬유에 배치시킨 것 이외에는 도 32과 유사한 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 34는 입/출력 결합 부속시스템을 포함시킨, 폴더형 사냑 센서어레이의 추가 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 35는 감극제를 두 번째 어레이 입력/출력 광섬유에 배치시킨 것 이외에는 도 34과 유사한 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 36은 검출기들이 원거리에 떨어져 있을 수 있도록 하기위해 광섬유로 검출기들을 입력/출력 부속시스템에 결합시킨 것 이외에는 도 34 및 35와 유사한 폴더형 광섬유 음향 센서 어레이의 추가 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 37은 도 30-36에 묘사되어 있는 전단 시스템(front end system)과 함께 사용하기 위한 16-센서 어레이의 대체 구현 방법을 묘사하고있다;
도 38A와 38B로 구성되어있는 도 38은, 도 30-36과 관련하여 앞서 묘사된 전단 시스템과 유사한 편광 기반 전단을 사용하는 증폭 트리구조 원격 계측 장치 내에 16개의 센서를 포함하고 있는 대체 센서 어레이를 묘사하고있다;
도 39A는 50㎱의 펄스 폭 및 0.942MHz의 반복주파수(1.06㎲간격)에 대해 도 38A의 검출기들 중 한 검출기에서 측정된 반송 펄스열(returned pulse train 을 묘사하고있다;
도 39B는 50㎱의 펄스 폭 및 1.042㎒의 반복주파수(0.96㎲간격)에 대해 도 38A의 검출기들 중 한 검출기에서 측정된 반송 펄스열을 묘사하고 있다;
도 40A는 도 38B의 센서들 중 한 센서와 직렬 상태에 연결된 PZT 변환기에서 π보다 크게 peak-to-peak 위상변조가 유도되었을 때 그 센서로부터 검출된 측정 전력을 나타내는 오실로스코프의 트레이스를 보여 주고있다;
도 40B는 도 38B에 묘사된 어레이의 입력/출력 광섬유들 중 한 곳에 놓여 있는 공통 편광 제어기의 여덟 가지 임의 설정값에 대한 도 40A와 일차하는 센서의 가시성을 측정한 결과를 보여 주고있다;
도 41은 도 38A에서 PZT를 감싼 광섬유를 음향 신호 시뮬레이션에 사용하고, 광원에서 시준기로 향하는 신호 경로에서 리튬 니오베이트 변조기를 사용하는 광원으로부터 나오는 광 신호에 3.6kHz에서 진폭 변조가 일어난 경우, 단일 검출기 구성으로부터 검출된 응답의 측정 결과를 보여 주고있다;
도 42A, 42B, 및 42C는 DC 전원 전류 1.4㎂, 4.05㎂, 및 9.89㎂ 각각에 대한 센서 계수의 함수로 검출기(수신기)에서 측정된 잡음에 미치는 광원 전력의 효과를 그래프로 표시하고 있다;
도 43A는 1s 적분 시간 내의 최소 검출 음향 신호를 그래프로 나타내고 있으며, 50㎲의 지연루프를 통한 지연시간에 대하여 1rad/√㎐ 위상신호를 발생하는 것으로 정의된 최대 검출 음향 신호를 그래프로 나타내고 있다;
도 43B는 1s 적분 시간 내의 최소 검출 음향 신호를 그래프로 나타내고 있으며, 도 43A와 매개변수가 동일하되 500㎱의 지연루프를 통한 지연시간에 대하여 1rad/√㎐ 위상 신호를 발생하는 것으로 정의된 최대 검출 음향 신호를 그래프로 나타내고 있다;
도 44A는 도 38B의 센서들 중 하나에 적용되는, 음향신호를 초래하는 센서에서의 위상 변동을 묘사하고있다;
도 44B와 44C는 더 긴 지연 루프(도 44B) 및 더 짧은 지연 루프(도 44C)를 따라 이동하는 신호에 대하여 도 44A의 위상 신호 때문에 야기된 유도된 위상차를 그래프로 나타내고 있다;
도 45A는 첫 번째 파장 λ1에서 첫 번째 일련의 광신호 펄스를 출력하는 첫 번째 신호원을 포함시킨 것과 두 번째 파장 λ2에서 두 번째 일련의 광신호 펄스를 출력하는 두 번째 신호원을 포함시킨 것과, 첫 번째 파장에서 광신호 펄스를 위해 첫 번째 지연루프를 포함시킨 것과 두 번째 파장에서 광신호 펄스를 위해 두 번째 지연루프를 포함시킨 것 이외에는 도 38A의 전단과 유사한 음향 센서 어레이의 전단을 도으로 설명하고있다;
도 45B는 도 45A의 전단에 연결된 음향 센서 어레이를 묘사하고있다;
도 46A는 도 45A의 더 긴 지연루프를 따라 전달되는, 지정된 센서로 부터의 신호를 그래프로 나타낸 것이다;
도 46B는 도 46A의 그래프로부터 β(2τ)의 프린지 카운트를 예측하기
위해 선형 보외법(linear extrapolation)를 사용하여 설명하고있다;
도 47은 Tλ1 d=100㎲, τ=50㎲, 및 Tλ2 d=100㎱에 대한 주파수 함수로서, 프린지 카운트 에러가 발생하기 전에 A의 최대 값을 나타낸 그래프이다.
우선 구현 방법(Preferred Embodiments)에 대한 상세 설명
사냑 루프 내의 음향 센서 배열(예, 하이드로폰)과 관련하여 본 발명의 내용을 보다 상세히 아래에서 설명하기로 한다. 일단, 구현 방법을 설명하기 전에 단일 루프 사냑 음향 센서의 작동에 대해 간략하게 설명하도록 하겠다.
단일 루프 사냑 음향 센서
도 1은 간단한 사냑 기반의 음향 센서 100에 대해 보여 주고있다. 사냑 루프는 지연 루프 1002와 하이드로폰 104의 두 부분으로 나눠진다. 지연 루프 102는 단순히 길이가 매우 긴 광섬유로, 통상적으로 1㎞ 이상이다. 하이드로폰 104는 광섬유 부분으로, 음향파가 광학 신호의 위상 변조로 변환되어 광섬유를 통해 전파된다. 통상적으로 하이드로폰 104에 들어가는 광섬유 부분의 최적화된 코팅 수준을 선택하고 적절한 성분의 맨드릴(mandrel)을 광섬유 주위에 감싸게 되면 음향파에 대한 높은 응답도(responsivity)를 얻을 수 있다. (참고 자료: J.A. Bucaro 외 기타 著, Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber Sensors, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute,1986년, 321-338 페이지 참조) 하이드로폰 104 주변을 둘러 싸는 광섬유의 길이는 통상적으로 10m에서 100 사이이다. 예를 들어 초형광 광원(SFS: superfluorescent fiber source)과 같이 광원 110으로부터의 빛 은 3x3 결합기 112에 의해 시계 방향(CW: Clockwise) 및 반시계 방향(CCW: Counter-clockwise) 빔으로 쪼개진다. 3x3 결합기 112의 작동은 잘 알려져 있으며, 예를 들면 1980년 11월 15일에 발표된 Sang K. Sheem著, Fiber-optic gyroscope with [3x3] directional coupler, Applied Physics Letters, Vol.37, No.10 869-871 페이지에 설명되어 있다.
여기에서는 3x3 결합기 112를 사용하는 것으로 설명되어 있지만, 다른 결합기(예 2x2 결합기, 4x4 결합기 등)도 본 발명의 구현 방법에 대한 대안으로 사용될 수 있다. 예를 들면 2x2 결합기를 사용하기 위해 한 면의 두 개의 포트 모두 사냑 간섭계를 생성하기 위해 사용된다. 다른 면의 하나의 포트는 검출 포트이다. 다른 면의 나머지 하나의 포트는 배열 내로 빛을 쏘는데 사용될 수 있으며, 결합기 또는 순환기(circulator)가 채용되었을 경우 검출 포트로 사용될 수도 있다(이와 유사한 방법으로 광섬유 자이로스코프로도 이뤄질 수 있다). 일반적으로 어떠한 n x m 결합기도 결합기 한 쪽 면의 두 개의 포트를 사용하여 사냑 간섭계를 만들기 위해 채용될 수 있으며, 사용되는 결합기의 다른 한 면의 포트들은 검출 포트, 발진 포트(launching port) 또는 두 가지 모두로 사용될 수 있다.
분할 후, CW빔은 먼저 지연루프 102를 통해 전해지고 그 다음에 하이드로폰 104로 전해지는 반면, CCW 빔은 먼저 하이드로폰 104로 전해지고 그 다음에 지연 루프 102로 전해진다. CW 빔이 하이드로폰 104를 통해 이동하는 시간과 CCW 빔이 하이드로폰 104를 통해 이동하는 시간 사이의 시간 지연 T delay 동안, 음향 신호 및 하이드로폰 104 내부의 음향적으로 유도된 위상 변조 역시 변한다. 위상 변조의 이러한 변화는 빔이 3x3 결합기 112에서 빔이 재결합되었을 때, 휘도 변조로 변환되는 반 전파(counter-propagating) 빔들 사이의 위상 차로 맵핑된다. 그런 다음 이러한 휘도 변조는 첫 번째 검출기 120과 두 번째 검출기 122 또는 두 가지 검출기 중 단 하나에 의해 검출된다.
보다 명백하게, 만일 음향 신호가 하이드로폰 104의 광섬유 내에서 위상 변조 Φ h cos(Ωt)를 유도할 경우, 그 결과로 하이드로폰 104, Φ int (t)에서의 간섭 빔들 사이의 위상 변조는 다음과 같이 주어진다:
Φ int (t) = Φ h cos(Ωt) Φ h cos(Ω(t + T delay ))
= 2Φ h sin((ΩㅇT delay )/2) sin(Ωt + (ΩㅇT delay )/2) (1)
여기에서 T delay 는 지연 루프에서의 이동 시간이므로 Φ int ( t)는 하이드로폰 변조 Φ h 의 함수이며, 음향 변조 주파수 Ω 및 루프 지연 시간 T delay 의 곱이다. 이것은 Φ int (t)이 하이드로폰 변조 Φ h 만의 함수인 마크젠더 간섭계 센서와는 다르다. 음향 주파수 Ω와 시간 지연 T delay 의 곱이 π(수식 1의 첫 번째 sine 값의 최대 값)의 홀수 배수일 때 사냑 루프 음향 센서 내에서 최대 감도를 얻을 수 있다. 이 π값을 만드는 음향 주파수를 루프의 적절한 주파수라고 하는데, 최대 감도가 달성되는 최저 주파수이다. 대부분의 수중 감지 애플리케이션들은 10kHz 이하의 음향 주파수가 검출되는 것으로 생각된다. 10kHz 보다 낮게 되는 적절한 루프 주파수를 위해서는 최소한 50㎳의 지연 시간과 최소한 10㎞의 지연 루프 길이가 요구된다. 따라서 사냑 음향 센서 100은 저 음향 주파수(10kHz 이하) 검출을 위한 대량의 광섬유를 필요로 한다.
이미 언급했던 안정적인 바이어스 포인트와 위상 잡음의 제거 이외에도, 사냑 간섭계 고유의 공통 경로 설계는 마크젠더 간섭계와 비교하여 많은 장점을 가지고 있다. 사냑 간섭계는 단-가(可)간접성(short-coherent) 길이, 증폭 자연 방출(ASE: amplified spontaneous emission) 광원의 사례 중 하나인 초형광 광 (SFS)과 같은 광대역 광원을 사용할 수 있게 한다. 이와 같은 광원은 가격이 저렴하며 고출력을 용이하게 제공할 수 있다. 3x3 결합기를 사용할 경우 구 근처의 사냑 음향 센서를 수동적으로 바이어스를 걸 수 있다고 증명되었다. (참고 자료: Sang K. Sheem著, Fiber-optic gyroscope with [3x3] directional coupler, Applied Physics Letters, Vol.37, No.10, 1980년 11월 15일, 869-871 페이지; H. Poisel 외 기타 著, Low-cost fibre-optic gyroscope, Electronic Letters, Vol.26, No.1, 1990년 1월 4일, 69-70 페이지 참조.) 3×3 결합기의 두 개의 검출 포트로부터 신호들을 제외함으로써, 하이드로폰으로 인한 위상 변조 유도 휘도 편차가 추가되는 반면에 SFS 광원의 제한하는 잡음 광원인 광원 초과 잡음이 제외될 수 있다. 이러한 특성으로 인해 사냑 간섭계가 산탄(散彈) 잡음(shot-noise) 제한 성능에 근접할 수 있게 한다.(참고 자료: Kjell Krakenes 외 기타 著, Sagnac interferometer for underwater sound detection: noise properties, OPTIC LETTERS, Vol.14, No.20, 1989년 10월 15일, 1152-1145 페이지 참조.)
사냑 기반의 음향 센서에 대한 이전 작업은 단일 센서 구성에 한정되어 있었다. 사냑 간섭계의 타고난 장점들로 인해, 출원자들은 대규모 배열을 가지고 있는 마크젠더 간섭계 센서들을 사냑 기반의 센서가 대체하는 것이 이상적이라고 생각했다. 위에서 논의한 각 사냑 센서 100은 수 ㎞의 광섬유를 필요로 하는데, 수 많은 이러한 센서들을 대규모 배열에 삽입하는 것은 비현실적이다. 필요 광섬유 길이 요구 조건을 줄이기 위해 지연 루프의 재순환을 사용하는 연구를 통해 광섬유 사용을 크게 줄이기는 했지만 재순환 루프내의 EDFA들의 채용으로 인한 높은 잡음이 있는 단점을 가지는 센서를 만들어 냈다. (사례로 J.T. Kringlebotn 외 기타 著, Sagnac interferometer Including A Recirculating Ring With An Erbium-doped Fibre Amplifier, OFS'92 Conference Proceedings, 6-9 페이지 참조.) 요구되는 광섬유를 감소시킬 수 있는 새로운 접근 방법은 아래에 설명되어 있다.
사냑 간섭계 기반의 신형 센서 어레이
아래에서 설명하는 것과 같이, 출원자는 여러 개의 센서를 동일한 지연 루프에 다중화하여 실질적인 사냑 센서 배열(SSA: Sagnac Sensor Array)을 만들어 냄으로써, 사냑 기반의 대규모 배열에 필요한 광섬유 규모를 감소시켜 주는 신형 시스템을 개발했다. 도 2에서 설명하고 있는 것과 같이, 본 발명에 의거한 사냑 센서 배열 200은 하나의 지연 루프 214에 부착시킨 사다리형 구성 내에 있는 하이드로폰 212(i)의 배열 210을 포함한다. 예를 들면, 도 2는 각각의 결합단 216(1), 216(2) 216(N)에 대응하여 N개의 하이드로폰 212(1), 212(2) 212(N 을 가지고 있는 사냑 센서를 보여주고 있다. 사냑 센서 배열 210에 있는 각 결합단 216(i)는 각 하이드 로폰 212(i)에 둘러 싸여 있는 단일 광섬유로 구성된다. 3x3 결합기 220로부터의 지연 루프 214와 배열 210을 통과하고 다시 결합기 220으로 되돌아 가는 모든 경로는 분리된 사냑 간섭계를 포함한다. 따라서 N개의 센서 212로 구성된 배열의 경우, N개의 독립적인 사냑 간섭계가 있으며, 각 간섭계는 도 1에서 보여지는 것과 같이 단일 루프 사냑 센서 100처럼 작동한다. 각 사냑 간섭계는 공간 상의 분산된 지점, 즉 하이드로폰 212(i)의 위치에서 음향 신호를 측정한다. 예를 들면 지연 루프 214와 결합단 216(1)으로 구성된 사냑 간섭계는 하이드로폰 212(1)의 위치에서 음향 신호를 측정한다. 여기에 더하여, 각 사냑 간섭계는 루프 이외의 음영 신호(예 잡음)를 포착하기도 하는데, 아래에서 설명하는 것과 같이 잡음은 크게 감소된다.
사냑 센서 배열 200은 다중 시 분할(TDM: Time-division multiplexed) 방식을 사용한다고 보면 쉽게 이해할 수 있다(비 TDM 방식은 추후에 설명될 것임). 광원 222(재래식 펄스 광원 또는 외부 변조기를 가진 CW 광원으로 구성될 수 있음)는 결합기 220의 세 번째 포트를 통해 사냑 루프로 입력되는 광 펄스를 발생시키며, 도 2에서 보여졌던 것과 같이 CW 및 CCW 방향 모두로 광 펄스를 전파한다. 배열 210에 펄스가 도달하면, CCW 펄스는 N개의 분리된 펄스 열로 쪼개 진다. 이 시점에서, CW 입력 펄스는 배열 210에 아직까지 도달하지 않았으며 여전히 단일 펄스의 형태를 유지하고 있다. CW 펄스가 배열 210에 도달할 때, 이 펄스 역시 N개의 펄스 열로 쪼개 진다. 연속적인 CW 펄스의 각 펄스는 각 결합단 216(i)를 통과한 후 3x3 결합기 220으로 되돌아 가며, 반대 방향으로 동일한 결합단 216(i)를 통과하는 연속적인 CCW 펄스를 간섭한다. 따라서 N개의 펄스들이 첫 번째 검출기 230 및 두 번 째 검출기 232에 의해 검출되고, 각 펄스들은 N개의 사냑 루프 중 하나의 CW 및 CCW 펄스로 구성된다(즉, 동일한 결합단 216(i)을 통과하여 반대 방향으로 이동하는 두 개의 펄스들). 다른 조합의 결합단을 지나서 통과하는 펄스들이 똑같은 광학 경로를 이동하지 않기 때문에, 이와 같은 펄스들은 결합기 220으로 동시에 도달하지 않으며, 따라서 결합기 220에서 각 펄스들은 상호간에 간섭하지 않는다. 인접 센서들로부터의 펄스가 겹치지 않도록 하기 위해서 펄스 너비들은 인접 센서들간의 차동 지연(differential delay)보다 작아야만 한다.
도 3에서 설명하는 것과 같이, 저 이득 에르븀 첨가 광섬유 증폭(EDFA)는 마크젠더 간섭계 센서 배열에 추가된 것과 같이 배열 부분 210에 추가되어 성능을 좋게 한다.(사례로 Craig W. Hodgson 외 기타 著, Optimization of Large-scale Fiber Sensor Arrays Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part I: Signal-to-Noise Ration, JOURNAL OF LIGHTWAVW TECHNOLOGY, Vol.16 No.2, 1998년 2월 218-223 페이지; Craig W. Hodgson 외 기타 著, Optimization of Large-scale Fiber Sensor Arrays Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part Ⅱ: Pump Power, JOURNAL OF LIGHTWAVW TECHNOLOGY, Vol.16 No.2, 1998년 2월 224-231 페이지; Jefferson L. Wagener 외 기타 著, Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Amplifiers, JOURNAL OF LIGHTWAVW TECHNOLOGY, Vol.15 No.9, 1997년 9월 1681-1688 페이지; C.W. Hodgson 외 기타 著, Large-scale interferometer fiber sensor array with multiple optical amplifiers, OPTICS LETTERS, Vol.22 No.21, 1997년 11월 21일 1651-1653 페이지 참조.) EDFAs 240은 결합 및 방산 손실 에 의해 손실되는 신호 파워를 재 생성하는 단일 배열에 의한 지원을 받을 수 있는 센서들의 수를 증가시켰다. EDFA 들은 분리된 결합기 244를 거치고 첫 번째 다중 파장 분할(WDM: Wavelength division multiplexing) 결합기 246 및 두 번째 WDM 결합기 248을 거쳐 하나 또는 그 이상의 펌프 레이저 광원 242에 의해 주입된다.
사냑 센서 배열 200은 사냑 구조를 사용하기 때문에, 사냑 센서 배열 200은 위에서 설명한 단일 루프 사냑 기반 센서 100의 모든 장점을 가지고 있다. 공통 결로 설계는 간섭 결합기 220에서 광원 위상 잡음을 휘도 잡음으로 변환시켜야 할 필요를 제거한다. 광원 222는 1.55㎛에서 저렴하게 고출력을 제공하는 광섬유 증폭 자연 방출(ASE) 광원(즉 위에서 설명한 SFS)을 사용할 수 있다. 3x3 결합기 220를 사용하여 모든 센서들에 대한 구 주위의 수동 바이어스를 가하는 것을 구현할 수 있다. 또한 3x3 결합기 220은 검출기 230, 232에서 두 가지 간섭 출력을 검출하고 초과 잡음을 광원에서 빼기 위해 두 개의 검출기 출력을 사용할 수 있는 용이한 수단을 제공한다. (사례로 하나의 사냑 간섭계와 결합하여 두 개의 검출기를 사용하는 것을 보여주고 있는 K. Krakenes 외 기타 著, Sagnac interferometer for underwater sound detection: noise properties, OPTIC LETTERS, Vol.14, 1989년, 1152-1145 페이지 참조.)
사냑 간섭계 사용의 결과로 나타나는 주파수 응답 및 동작 범위에 대해 자세하게 설명한 후, 이러한 신형 사냑 센서 배열 200의 특성들은 아래에서 보다 자세하게 설명될 것이다. 그 다음에 비 하이드로폰 광섬유 루프 부분으로부터의 분산 픽업의 강도를 계산하는 것에 대해, 이러한 픽업 강도를 감소시키는 기법과 함께, 설명될 것이다. 편광에 대해서도 역시 아래에서 다뤄질 것이다. 사냑 설계에 의해 등장하는 새로운 잡음원에 대해서 그 다음으로 설명된다. 마지막으로 사냑 센서에서 채용될 수 있는 TDM 이외의 다중 송신 방식에 대해서도 설명될 것이다.
본 발명이 배열 210의 각 결합단 216(i) 내의 단일 센서 관점에서 위해서 설명되었지만, 각 결합단 216(i)가 다중의 센서들을 가지는 부 배열로, 예를 들면 1997년 3월 11일에 제출된 미 특허 출원 No. 08/814,548에서 허용되는 것과 같이, 구성될 경우 유리할 수도 있다는 점을 이해할 필요가 있다(C.W. Hodgson 외 기타 著, Large-scale interferometric fiber sensor arrays with multiple optical amplifiers, OPTIC LETTERS, Vol.22, 1997년, 1651-1653 페이지; Jefferson L. Wagener 외 기타 著, Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Amplifiers, JOURNAL OF LIGHTWAVW TECHNOLOGY, Vol.15 No.9, 1997년, 1681-1688 페이지; C.W. Hodgson 외 기타 著, Optimization of large-scale fiber sensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part I: signal-to-noise ratio, JOURNAL OF LIGHTWAVW TECHNOLOGY, Vol.16, 1998년, 218-223 페이지; C.W. Hodgson 외 기타 著, Optimization of large-scale fiber sensor arrays incorporating multiple optical amplifiers, Part Ⅱ: pump power, JOURNAL OF LIGHTWAVW TECHNOLOGY, Vol.16, 1998년, 224-231 페이지 참조.).
주파수 응답
위에서 설명한 것처럼, 사냑 센서는 주어진 수식 1과 같이 주파수 종속 응답 을 가지고 있다. 1/(2 Tdelay)로 정의된 루프의 적절한 주파수 훨씬 아래의 주파수들에서, 최소 검출 가능 음향 신호는 음향 주파수의 역 비율로 나타난다. 이러한 저 주파수에서의 감소된 음향 감도는 사냑 음향 센서의 주요한 관심사가 되어 왔다. 하지만 저 주파수에서 이렇게 감소된 음향 감도는 다행히도 해상 잡음의 증가와 맞물리게 된다. (사례로 Sverre Knudsen 著, Ambient and Optical Noise in Fiber-Optic Interferometric Acoustic Sensors, Fiber-Optic Sensors Based on the Michelson and Sagnac Interferometers: Responsivity and Noise Properties, Thesis, Chapter 3, Norwegian University of Science and Technology, 1996년, 37-49 페이지 참조) 이상적으로는, 주어진 주파수에서 배열의 최소 검출 음향 신호가 동일한 주파수의 해상 잡음 보다 아래에서 일정한 값을 유지하는 것이 바람직하다. 따라서 최소 검출 음향 신호는 증가하는 해상 잡음에 맞추기 위해 저 주파수에서 증가되어야만 한다. 본 발명의 사냑 센서 배열 200의 주파수 응답은 따라서 해상 잡음과 음향 감도간에 잘 어울릴 수 있는 특성을 제공한다. 도 4에서 이러한 특성이 설명되어 있는데, 광 잡음 플로어(optical noise floor)가 10μrad/√Hz, 하이드로폰 위상 응답이 3.2 x10-7rad/μPa 그리고 지연 루프의 길이가 20㎞라고 가정했을 때, 사냑 센서 배열의 최소 검출 신호가 curve 250로 그려져 있다. 또한 도 4에 그려진 것은 세 개의 주요 해상 잡음원에 대한 각 주파수들에서의 해상 잡음과 이러한 세 개의 잡음원 으로부터 결과로 나타나는 잡음의 합이다. Curve 252는 해상 요동, 지진, 화산 폭발 및 기타 원인으로 인한 잡음을 나타낸다. Curve 253은 광 운송 잡음(light shipping noise)을 나타낸다. Curve 254는 DSS0(distant shipping and storms) 잡음을 나타낸다. Curve 256은 세 개의 주요 잡음원으로부터의 잡음 플로어의 합을 나타낸다(즉 curve 252, 253 및 254의 합). (사례로 Robert J. Urick 著, The noise background of the sea: ambient noise level, Principles of Underwater Sound, 3rd Edition, Chapter 7, McGraw-Hill, 1983년, 202-236 페이지 참조) 사냑 센서 배열 200의 최소 검출 음향 신호는 10kHz 이하의 모든 주파수에서 해상 잡음 보다 낮은 거의 일정한 양의 검출 신호를 제공하기 위해 증가한다. 따라서 사냑 센서 배열 200의 주파수 의존 응답은 저 주파수 음향 검출을 방해하지 않는다. 마크젠더 배열은 저 주파수에서 감도를 감소시키는 것과 같이 사냑 센서 배열과 동일한 추세를 보여 주고있지만, 마크젠더 배열의 경우 사냑 센서와 비교하여 감도의 감소 폭이 적다.
마크젠더 간섭계와 사냑 센서 배열 200 모두 유사한 주파수 의존 응답 특성을 가지고 있지만, 각각의 주파수 응답원은 근본적으로 다르다. 마크젠더 간섭계 센서 배열의 최소 검출 신호 증가는 광 잡음 플로어의 증가가 원인이다. 이러한 광 잡음 증가의 원인은 경로가 불균형(path-imbalanced)한 마크젠더 간섭계에 의해 나타나는 위상 잡음 때문이다. 따라서 잡음 플로어가 10kHz에서 10μrad/√Hz이면, 이것은 저 주파수로 갈수록 증가하게 된다. 사냑 센서 배열 200의 경우, 최소 검출 음향 신호의 증가는 수식 1의 sin( Tdelayv2) 부분이 원인이며, 광 잡음 플로어의 증가가 원인은 아니다. 광 잡음 플로어는 전체 주파수 대역에 걸쳐 10μrad/√Hz로 일정하게 유지된다. 이러한 차이의 크기는 도 5에 나타나는 것과 같이 마크젠더 간섭계 센서 배열과 사냑 센서 배열 200의 동작 범위를 시험해봄으로써 확인할 수 있다. 센서의 동작 범위는 최소 및 최대 검출 위상 편이(phase shift)에 의해 제한 받는다. 간섭계 센서의 경우, 최대 검출 위상 편이는 간섭계의 비선형 응답과 광 잡음 플로어에 의한 최소 검출 위상 편이에 의해 제한 받는다. 마크젠더 간섭계 센서 배열과 사냑 센서 배열 모두 음향 주파수 범위에 걸쳐 일정한 최대 검출 위상 편이를 가지고 있다. 하지만 사냑 센서 배열 200 또한 일정한 최소 검출 위상 편이를 가지고 있는데, 그 이유는 마크젠더 간섭계 센서 배열은 경로가 불균형한 간섭계에 의해 발생하는 위상 편이가 유발하는 광 잡음 플로어의 증가로 인해 최소 검출 위상 편이가 증가하는 단점이 있는데 반해, 사냑 센서 배열 200이 일정한 광 잡음 플로어를 가지고 있기 때문이다. 따라서 사냑 센서 배열 200은 전체 음향 주파수에 대해 일정한 동작 범위를 가지고 있다. 반면에 마크젠더 간섭계 센서 배열은 저 음향 주파수에서 동작 범위가 감소한다. 도 5에는 사냑 센서 배열 200과 마크젠더 간섭계 센서 배열에 대한 최소 및 최대 검출 음향 신호(㏈)가 그려져 있다. 도 5에서와 같이, 위상 잡음이 마크젠더 간섭계 센서 배열을 제한하지 않는 1kHz 이상에서 두 배열 모두 약 100㏈의 동작 범위를 가지고 있다. 10㎐에서는 위상 잡음이 마크젠더 간섭계 센서 배열을 지배하며, 마크젠더 배열의 동작 범위는 약 74㏈까지 감소된다. 반면에 사냑 센서 배열 200의 동작 범위는 약 100㏈ 수준으로 유지된다.
지연 루프 길이 및 하이드로폰 응답성의 함수인 루프의 적정 주파수 한참 아래의 주파수에서 사냑 센서 배열 200의 주파수 응답을 시험해보면 흥미로울 수 있 다. 이러한 주파수들에서 수식 1의 sin(ΩTdelayv2) 인수는 거의 ΩTdelayv2가 될 수 있는데, 이것은 사냑 센서 배열 200의 응답성이 Φh 및 Tdelay의 곱에 비례한다는 것을 보여 준다. Φh 자체는 각 하이드로폰 212(i)내에 있는 광섬유 양에 비례하고 Tdelay는 지연 루프 214 내에 있는 광섬유의 양에 비례한다. 따라서 루프의 적정 주파수 훨씬 아래 주파수들에서의 응답성은 하이드로폰의 광섬유 길이와 지연 루프의 광섬유 길이의 곱에 비례한다. 도 6은 각 하이드로폰 212(i) 내의 광섬유 길이와 지연 루프 214의 광섬유 길이가 일정하지만 지연 루프 214와 각 하이드로폰 212(i) 사이의 상대적인 광섬유 분포가 변화할 때의 했을 때의 곱에 대하여, 일곱 개의 사냑 센서 배열 구성에 대한 최소 검출 음향 신호를 그리고 있다. 예를 들면 curve 260은 지연 루프 214의 광섬유 길이가 45㎞이고 각 하이드로폰 212(i)의 광섬유 길이가 100m일 경우의 사냑 센서 배열 200의 주파수 응답을 나타낸다. Curve 262는 지연 루프 214의 광섬유 길이가 30㎞이고 각 하이드로폰 212(i)의 광섬유 길이가 150m일 경우의 사냑 센서 배열 200의 주파수 응답을 나타낸다. Curve 264는 지연 루프 214의 광섬유 길이가 15㎞이고 각 하이드로폰 212(i)의 광섬유 길이가 300m일 경우의 사냑 센서 배열 200의 주파수 응답을 나타낸다. 도에서 설명되는 것과 같이, 각 사냑 센서 배열 200은 저 주파수에서는 동일한 감도를 가지고 있지만, 각각의 상대적인 루프 적정 주파수에 따라 서로 다른 주파수에서 최대 감도로 접근하고 있다. 따라서 저 주파수에서의 주어진 최소 검출 음량 신호의 경우, 지연 루프 214 및 하이드로폰 212(i)에 들어가는 광섬유 길이를 선택할 수 있는 재량권이 일부 남 아 있다고 할 수 있다. 이러한 재량권은 예를 들면 필요 광섬유 길이를 최소화 해야 한다거나 지연 루프의 길이를 최소화 해야 하는 것과 같이, 사냑 센서 배열 200이 다른 기준을 충족시킬 필요가 있을 때 유용하게 사용될 수 있다.
사냑 센서 배열의 동작 범위 증가
앞에서 논의된 것과 같이, 사냑 센서 배열 200은 위상 잡음에 대한 영향을 받지 않는 특성으로 인해 저 주파수에서 마크젠더 간섭계 센서 배열의 동작 범위보다 큰 동작 범위를 가지고 있다. 이상적으로는 사냑 센서 배열 200은 접할 가능성이 큰 가장 강하고, 가장 약한 음향 신호를 검출하기에 충분한 동작 범위를 제공한다. 이러한 요구 조건은 종종 약 150㏈의 요구 동작 범위로 해석되기도 한다. 마크젠더 간섭계 센서 배열이 이렇게 큰 동작 범위를 확보하기 위해서는, 상이한 위상 응답성을 가지고 있는 두 개의 독립적인 센서가 필요하다. 이 경우 각 센서는 총 150㏈의 동작 범위 중 한 부분을 검출하여, 두 센서의 동작 범위를 합하게 되는데, 이것은 마크젠더 간섭계 센서 배열의 명백한 단점이라고 할 수 있다(즉 필요한 하이드로폰, 결합단, 광원 및 검출기의 수가 두 배로 된다). 실제적으로 N개의 하이드로폰은 지원할 수 있는 배열은 단 N/2 지점만의 음향 신호를 검출할 수 있다.
사냑 센서 배열 200의 경우, 추가적인 하이드로폰 212를 사용하지 않고도 대규모의 동작 범위 구현이 가능하다. 사냑 센서 배열의 위상 응답성은 수식 1에서 나타나는 것과 같이 하이드로폰의 응답성과 지연 루프의 길이에 대한 함수이기 때문에, 하이드로폰의 전체 배열의 위상 응답성은 지연 루프의 길이 조정을 통해 변 경될 수 있다. 도 7에서 보이는 개조된 센서 배열 266과 같이 길이가 L1과 L2인 두 개의 독립적인 지연 루프 214(1)과 214(2)를 동시에 사용함으로써, 배열 266의 검출 범위는 매우 크게 증가할 수 있다. 배열 266은 이제 2N개의 독립된 사냑 루프를 가지고 있다. 각 하이드로폰 212(i)는 두 개의 지연 루프 경로의 각각에 대해 분리된 신호를 돌려 보내며, 각 지연 루프 214(1)과 214(2)의 길이는 신호의 음향 검출 범위를 결정하게 된다. 각 하이드로폰 212(i)의 총 음향 검출 범위는 하이드로폰 212(i)를 포함하고 있는 두 개의 사냑 루프 센서들의 각각의 검출 범위의 합집합으로 나타난다. L1과 L2의 길이는 음향 검출 범위를 결정한다. L1+L2 의 길이는 배열 266이 검출하기를 원하는 가장 작은 음향 신호를 검출할 수 있도록 선택된다. 그 다음에 지연 루프 214(1)과 214(2) 모두를 통과하는 신호의 검출 범위 상단의 짧은 지연 루프만을 이동하는 신호의 검출 범위를 지정하기 위해 지연 루프 214(1)의 길이 L1를 선택한다. TDM 시스템의 경우, 두 번째 루프를 삽입한 결과로 2N개의 펄스가 돌아올 수 있는 시간을 허용하기 위해 광원 펄스의 반복 주파수가 반으로 줄어들었으며 지연 루프 214(1) 및 214(2)의 길이는 펄스의 중복이 없도록 선택되었다. 반복 주파수가 반으로 줄어들었기 때문에, 각 개별 신호의 동작 범위는 3㏈ 감소되었다. 이러한 감소는 두 개의 분리된 신호의 동작 범위를 피기백 방식으로 추가함으로써 얻을 수 있는 총 동작 범위의 증가로 인한 상쇄보다 크다. 도 7은 두 번째 지연 루프 214(2)를 통과하는 모든 빛이 첫 번째 지연 루프 214(1)를 통과하도록 두 번째 지연루프 214(2)의 위치가 잡혀 있는 것을 보여 주고있다. 이를 대신하여, 두 번째 지연 루프 214(2)를 통과하는 빛이 첫 번째 지연 루프 214(1)을 통과하지 않도록 두 개의 지연 루프 214(1) 및 214(2)를 광학적으로 평행하게 할 수도 있다는 것을 이해할 필요가 있다. 이와 같은 경우에, 두 번째 지연 루프 214(2)의 광섬유 길이는 첫 번째 길이와 두 번째 길이의 합이 되어야만 한다(즉 L1+L2). 그러나 L1이 L2보다 상대적으로 짧기 때문에, 이러한 조정이 필수적이지는 않다. 도 7의 구현 방법은 첫 번째 지연 루프의 길이를 두 번째 지연 루프에 더함으로써 총 광섬유 소요 길이를 줄일 수 있다.
도 8은 각 신호의 동작 범위가 100㏈이고 L1/L2 비가 5000으로 설정되어 있는 배열 266에 두 개의 지연 루프 214(1)과 214(2)를 사용함으로써 동작 범위의 연장이 가능하다는 것을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이, 배열 266은 이제 하이드로폰의 수를 증가시키지 않고도 원하는 전체 동작 범위(약 160㏈)에 걸쳐 신호 검출이 가능하게 되었다.
분산 감지 (Distributed Sensing)
사냑 센서 배열 266에서, 간섭계 내에서의 어떠한 위상 변조도 3x3 결합기 220을 간섭하여 휘도 변조로 변환될 수 있다. 전체 사냑 루프에 걸친 이러한 분산 감지는 음향 센서 배열의 단점이 된다. 실제로 활용하기 위해서는, 음향 센서 배열은 공간 내(즉 하이드로폰에서) 여러 개의 불연속적인 지점에서 음향 신호의 샘플링을 하고 이러한 신호들을 독립적으로 돌려보내야만 한다. 마크젠더 간섭계 센서 배열은 앞에서 설명한 것을 실행할 수 있는데, 그 이유는 간섭계가 좁은 공간에 배 치되어 그 지점에서만 감지가 가능하기 때문이다. 사냑 센서 배열 266이 실제로 사용될 수 있기 위해서는, 사냑 루프의 분산 감지가 반드시 감소되어야만 한다.
간섭계 내에 있는 전체 광섬유는 두 지점에 위치될 수 있는 지연 루프 214를 구성한다. 첫 번째는 도 9A에서 처럼 광원 222 및 건단 내(dry end; 즉, 물 밖)의 검출 전자장비(즉 검출기 230 및 검출기 232)가 함께 한다. 여기에서 지연 루프 214는 어떠한 외부 변조도 최소화하기 위해 주위를 차폐할 수도 있다. 하지만 습단(wet end)을 배열 부분 210에 연결하는 지향선 광섬유(downlead fibers) 270, 272는 간섭계의 한 부분이다. 두 번째 가능성은 도 9B에서 처럼 습단 내(즉, 수중)에 지연 루프 214를 배열 210과 함께 배치하는 것이다. 이와 같이 지연 루프 214는 건단 내에 위치할 경우 동일한 방법으로 분리시킬 수 없지만, 지향선 광섬유 270, 272, 274는 간섭계 외부에 둘 수 있다. 따라서 이 광섬유들은 감지하지 않는다. 지향선과 지연 루프 분산 픽업의 상대적인 크기는 어떤 구성이 특정 애플리케이션에 가장 적합한지 알려 준다. 만일 지연 루프 214가 건단(도 9A)에 위치하고 있다면, 지향선 광섬유 270, 272는 극도로 큰 위상 변조를 유발할 수 있는 광섬유의 진동 또는 휨과 같이 물리적인 이동을 방지하기 위해 고정되어 있어야 한다. 음향에 의해 유도되는 위상 변조와 반대되는 광섬유 이동에 의해 유도되는 위상 변조가 있다. (이와 같은 물리적 이동은 견인 배열일 경우에 문제가 되지만, 고정 배열일 경우 큰 문제가 되지 않는다.) 따라서 만일 지연 루프 214가 건단(도 9A)에 위치할 경우, 사냑 센서 배열 210의 전체 습단은 반드시 고정되어야만 한다. 하지만 지향선 광섬유 270, 272, 274는 간섭계의 한 부분이 아니기 때문에, 도 9B에 나오는 것 처럼 습단(도 9B)에 위치한 지연 루프 214와 함께 3×3 결합기 220의 오른쪽 부분만 고정되어 있으면 된다. 지연 루프 214가 습단(도 9B)에 위치할 경우, 지연 루프 광섬유는 반드시 감도가 억압되어야만 한다. 지연 루프 214는 감도 억압된 실린더(도에 나오지 않음) 주위를 지연 루프 광섬유로 감싸서 고정시킬 수 있기 때문에, 이것을 통해 광섬유의 이동을 없애고 음향 픽업을 분산 픽업 신호의 주요 공급원으로 만들 수 있다. 움직임에 의해 유도된 위상 변조에 대해 광섬유를 감도 억압시키는 것보다 음향적으로 유도된 위상 변조에 대해 광섬유를 감도 억압시키는 것이 더 용이하기 때문에, 견인 배열 애플리케이션의 경우 습단(도 9B)에 지연 루프 214를 위치시키는 구성이 선호되며 보다 상세한 내용은 아래에서 설명하게 될 것이다.
지연 루프에서 유도된 음향 픽업 잡음(Acoustic Pick-up Noise)의 계산
이번 단락에서는, 음향 유도 분산 픽업 잡음의 크기를 도 9(b)의 사냑 센서 배열 210에서 음향 유도 하이드로폰 위상 변조와 비교하기 위해 예상치 값을 유도하고 있다. 지연 루프 및 버스 광섬유(각 하이드로폰을 지연 루프와 3×3 결합기에 연결하기 위해 사용된 광섬유) 내에서의 음향 신호 픽업의 결과로 분산 위상 변조에 따른 휘도 변조가 잡음원으로 간주될 수도 있다. 다음에 나오는 논의를 위해, 도 10에 나오는 것처럼 사냑 센서 배열의 하나의 루프가 길이 Ld인 지연 광섬유, 길이 Lb인 버스 광섬유(bus fiber), 길이가 길이 Lh인 하이드로폰 광섬유로 구성되어 있고 광섬유의 총 길이가 L이라고 가정해보자. 또한 Ld가 Lb와 L 보다 길이가 길다고 가정한다. 음향 신호에 대한 광섬유의 위상 응답도(phase responsivity)는 압력 종속 전파상수(pressure dependent propagation constant)인 β 에 기인하여 나타난다. 일반적으로, 지점 l 및 시간 t 에서의 전파 상수의 압력 종속 요소는 다음과 같은 수식으로 표기될 수 있다:
Figure 112004005422988-pct00001
여기에서 β 0 는 압력이 0 일 때의 전파 상수이며, R(l)은 광섬유의 표준화된 위상 응답성이고, P(l,t)는 공간 및 시간의 함수로써 압력을 나타낸다. 만일 주파수 Ω의 사인(sinusoidal) 음향 신호가 추정되면, 수식 2는 아래와 같이 재 구성될 수 있다:
Figure 112004005422988-pct00002
여기에서 P 0 는 정상 상태에서의 압력이며, P m 는 압력 변조의 진폭(l에 독립적이라고 가정함)이고, θ(l)는 음향 파의 공간 위상 변이를 포함한다. 일반적으로, l=l 1에 서 l=l 2 까지의 음향 유도 위상 변조에 기인한 사냑 루프내의 간섭된 빔 사이의 유도된 위상 차(induced phase difference)는 적분에 의해 주어진다:
Figure 112004005422988-pct00003
여기에서 는 광섬유 내에서의 빛의 속도이며, L은 루프의 길이이다. 수식 3을 수식 4에 대입하면 다음과 같이 된다:
Figure 112004005422988-pct00004
수식 5는 하이드로폰, 버스 및 지연 광섬유의 음향 변조에 의하여 간섭 받는 빔들 간의 위상 차를 결정하는 데 사용될 수 있다.
하이드로폰 광섬유의 경우, 수식 5는 l 1 =l d +l b /2에서 l 2 =l d +l b /2+l h 로 적분된다. θ(l)이 전체 범위에 걸쳐 일정하다고 가정한다(즉 음향 파장은 하이드로폰의 차원보다 훨씬 크다는 것을 의미함). 또한 광섬유의 표준화된 위상 응답성, R(l)이 일정하고 R h 가 범위 내에서는 과 같다고 가정한다. 그런 다음, 수식 5를 통해 하이드로폰 광섬유 변조로 인해 간섭된 빔들간의 위상 차 진폭이 계산된다:
Figure 112004005422988-pct00005
ΩL h /2υ 1 라고 가정한다. 수식 2가 주어진 수식 1의 표현과 일치한다는 점을 주목해야 한다.
버스 광섬유의 경우, 수식 5는 상부 및 하부 버스 라인을 포함하기 위해 처음에는 l 1 =l d 에서 l 2 =l d +l b /2로, 그 다음에는 l 1 =L-l d /2에서 l 2 =L로 적분된다. 여기서 다시 한번, R(l)은 일정하고 R h 와 같으며, 수식 5를 적분할 때 θ(l) 가 일정하다고 가정한다. 광섬유 변조로 인한 간섭 받는 빔들간의 위상 차 진폭은 다음과 같다:
Figure 112004005422988-pct00006
여기서 ΩL h /2υ 1 라고 가정한다. θ(l)의 일정함과 ΩL h /2υ의 진폭이 를 증가하는 역할을 한다고 가정을 강조할 필요가 있다. 따라서 버스 광섬유에 대한 최악의 경우에 대한 시나리오가 주어질 수 있다.
지연 광섬유의 경우, 수식 5는 l 1 =0에서 l 2 = l d 로 적분되며, 이전과 마찬가지로 이 범위(즉 지연 루프 코일이 음향 파장보다 훨씬 작다)에 걸쳐 θ(l)가 일정하다고 가정한다. 또한 적분 시 R(l)은 일정하고 R d 와 같다고 가정한다. 그런 다음, 수식 5는 다음과 같이 주어진 지연 광섬유 변조로 인한 간섭 받는 빔들간의 위상 차 진폭이 계산된다:
Figure 112004005422988-pct00007
여기에서 Ω(L h + L h )/2υ 1 라고 가정한다.
수식 6에서 수식 8을 통해 이러한 위상 변조 진폭의 상대적인 크기가 계산될 수 있다. 첫 번째, 표준 플라스틱 코팅 광섬유는 표준화된 위상 응답성, R 을 가지고 있다. 예를 들면 J.A. Bucaro 외 기타 著, Optical fibre sensor coatings, Optical Fiber Sensors, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, 1986년, 321-338 페이지에서 R은 -328 ㏈ re 1/ Pa로 설명되어 있다. 반대로, C.C. Wang 외 기타 著, Very High responsivity fiber optic hydrophones for commercial applications, Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol.2360, 1994년, 360-363 페이지에서 설명되는 것처럼, 에어백 처리된 맨드릴로 만들어진 현재의 하이드로폰을 둘러싼 광섬유는 표준 광섬유의 응답성보다 30㏈이 증가된 -298 ㏈ re 1/ Pa의 표준화된 위상 응답성을 가지고 있다는 사례가 있다. 만일 우리가 지연 루프와 버스 광섬유가 표준 플라스틱 코팅 광섬유의 표준화된 위상 응답성을 가지고 있으며 하이드로폰 광섬유가 에어백 처리된 맨드릴로 싸여 있다고 가정할 경우, R h 에서 R 로 또는 R d 로의 비율이 약 30㏈이 된다. 따라서 수식 6-8을 도출하기 위해 단순화시킨 가정을 근거로 하면, 다음과 같은 수식이 만들어 진다.
Figure 112004005422988-pct00008
그리고
Figure 112004005422988-pct00009
L b /L h 비율은 하이드로폰 위치의 함수이다. 첫 번째 하이드로폰의 경우, L b /L h 비율이 0이 되면 이 되고 는 아주 큰 값이 된다. 마지막 하이드로폰의 경우, L b 및 L h 에 대한 100m 및 1㎞에서의 통상적인 값은 각각 에 달한다. 따라서 하이드로폰 광섬유가 상대적으로 적은 양으로 전체 사냑 루프가 구성되어 있다는 사실에도 불구하고, 하이드로폰 광섬유에서의 음향 유도 위상 변조 크기는 가장 먼 하이드로폰의 경우와 비교하더라도 지연 루프 광섬유 및 버스 광섬유 내에서의 음향 유도 위상 변조 크기보다 훨씬 크다. 다음 단락에서는 空결합단(empty rung)을 사용하여 분산 픽업 잡음을 처리하는 방법에 대해 설명 하기로 한다.
지연 루프 광섬유에 대한 수식 5의 적분을 평가하기 위해, L d 보다 작은 모든 l에 대해 R(l)=R d 라고 가정했다. 이러한 R(l)의 일관성으로 인해 l=(L-L d )에서 L 까지의 수식 5의 적분에 대한 어떠한 기여도 제거할 수 있게 되었다(대역 (integrand)이 L/2 부근에 대한 홀수 함수가 되기 때문임). 하지만 길이가 긴 광섬유에 코일을 감게 되면 l에 대한 R(l) 값이 어느 정도 종속될 수 있다 광섬유의 내부 층이 외부 층과 다른 R 값을 가지기 때문에 가능할 수 있다). R(l 의 이러한 변이는 l=(L-L d )에서 L d 까지의 지연 루프 픽업을 증가시킨다. 이러한 픽업을 감소시키기 위해서는, 수식 5의 대역간(integrand)이 L/2 부근에서 홀수 함수가 되도록 하기 위해서 R(l)은 L/2 주위에서 짝수 함수만을 필요하게 된다는 것을 먼저 알 수 있다. 지연 루프를 감싸서 도 11에서 보이는 것과 같이 서로 옆에 있는 각각의 광섬유 루프의 대칭 포인트에 위치하도록 함으로써, R(l)이 L/2 부근에서 보다 대칭이 되도록 강제될 수 있다. 이와 같은 포장은 지연 루프의 대칭 포인트가 각각의 주변에 근접되도록 위치시킴으로써, 코일에서의 광섬유의 위치로 기인하는 R(l)에 대한 어떠한 변이도 가능한 L/2 부근으로 대칭되도록 확실하게 할 수 있다. 이것에 의해 지연 루프 픽업은 수식 8에서 표현된 것에 가능한 근접하게 만들어진다. 사냑 센서 배열 내에 있는 각 사냑 루프가 서로 다른 포인트를 L/2 가지고 있기 때문에, 단 하나의 루프만이 도 11에서 보이는 것처럼 정확하게 감싸질 수 있다는 것을 주의할 필요가 있다. 이것에 의해 R(l)에서의 작은 수준의 불완전이 하나의 사냑 루프를 제외한 모두에 나타날 수 있다.
또한 하이드로폰의 광섬유에 대한 음향 감도를 향상시키는 것에 더하여 특정 직경의 금속 코팅을 적용하여 광섬유를 감도 억압시키는 것도 가능하다는 것을 언급할 필요가 있다(사례로 위에서 언급한 J.A. Bucaro 著, Optical fibre sensor coatings을 참고). 측정된 표준화된 위상 응답성은 최저 -366 ㏈ re 1/ P 까지 보고되었다. 만일 이와 같은 광섬유가 지연 또는 버스 라인에 사용되었을 경우, 지연 및 버스 유도 신호에 걸친 하이드로폰 유도 신호를 38㏈ 증가시키면서 R h 에 대한 R b 비 또는 R b 에 대한 R h 비가 68㏈에 근접한다(플라스틱 코팅 지연 및 버스 광섬유의 30㏈ 대신에).
空 결합단(Empty Rungs)을 사용한 분산 픽업 잡음(Distributed Pick-up Noise) 감소
분산 픽업 신호를 추가로 감소시키기 위해, 도 12에서 보이는 것과 같이 배열 210에 하이드로폰을 가지고 있지 않은 空 결합단 300을 설치함으로써 하이드로폰 유도 음향 변조는 분산 픽업 변조로부터 격리될 수 있다. 하이드로폰 212(i)를 가지고 있어 감지 결합단(sensing rung)이라 불리는 각 결합단 216(i)는 空 결합단 300(i) 중 하나에 의해 처리된다. 대응하는 空 결합단(i)를 감싸고 있는 각 루프의 비 감지 광섬유는 상응하는 감지 결합단 212(i)를 감싸고 있는 비 감지 광섬유와 거의 동일하다. 이것은 空 결합단 300(i)와 상응하는 감지 결합단 212(i 는 거의 동일한 분산 픽업 신호를 가지게 될 것이라는 것을 의미한다. 이 空 결합단 300(i)를 배열 210 내의 다른 센서로 취급하고 空 결합단 300(i) 및 감지 결합단 212(i)에서 나오는 펄스의 타이밍을 적절하게 맞추어 겹치지 않도록 할 경우, 각 감지 결 합단 212(i)에 나타나는 분산 픽업 신호를 측정할 수 있다. 검출 후, 이 신호는 감지 결합단 신호로부터 공제되어, 하이드로폰 광섬유 내에서 위상 변조에 의해 생성된 휘도 변이만을 남겨 두게 할 수 있다. 이와 같은 방법을 적용하기 위해서는 N개의 센서 배열 210에 대해 2N개의 결합단이 필요하므로 개별 신호의 듀티 사이클(duty cycle)을 절반으로 줄일 수 있다.
만일 배열 210의 버스 부분에 대한 감도 억압이 필요하지 않을 경우, 하나의 空 결합단 200이 지연 루프 214와 관련된 분산 픽업 신호를 측정하기 위해 배열 210에 설치될 수 있다. 따라서 N개의 센서에 대해 N+1개(N개의 감지 결합단 212(i)와 하나의 空 결합단 300)의 결합단만이 필요하게 된다. 만일 하나의 空 결합단 300이 각 감지 결합단 212(i)에 대한 분산 픽업 신호를 적절하게 측정하지 않을 경우, 각 감지 결합단 212(i)에 대한 분산 픽업 신호가 가장 가까운 空 결합단 300에서 적절하게 측정될 때까지 보다 많은 空 결합단 300이 배열을 따라 주기적인 간격으로 추가될 수 있다. 개별 신호에 대해 듀티사이클이 높을수록 적은 수의 空 결합단이 사용되는 결과를 가지고 있다. 도 12는 空 결합단이 모든 감지 결합단에 하나씩 추가되는 가장 보기 어려운 상황을 묘사하고 있다.
편광(Polarization)
어떠한 간섭계 센서의 최대 대조(maximum contrast), 간섭계 빔들의 편광 상태(SOP: the state of polarization)가 재결합될 때 똑같아야만 한다. 만일 빔들이 직교할 경우, 간섭은 없으며 따라서 진폭 변조 신호도 없다. 이것을 편광 유도 신호 페이딩(polarization-induced signal fading)라고 한다. 사냑 센서 배열 내의 각 센서들은 사냑 루프이기 때문에, 사냑 광섬유 자이로스코프에서의 편광 유도 신호 페이딩에 대해 현재까지 수행된 연구는 사냑 센서 배열에 똑같이 적용된다. 하나의 유망 솔루션은 사냑 루프에 감극제(depolarizer)를 배치하는 것이다(사례로 K. B hm 외 기타 著, LOW-DRIFT FIBRE GYRO USING A SUPERLUMINESCENT DIODE, ELECTRONIC LETTERS, Vol.17, No.10, 1981년 5월 14일, 352-353 페이지 참조). 감극제는 최소한 광 전력의 절반이 전체 시간 내에서 정확한 SOP인 3x3 결합기로 되돌아 갈 수 있게 한다. 이러한 일반적인 접근 방법은 복굴절(birefringence)에 관계 없이 일정한 선명도를 만들어 낸다(사례로 William K. Burns 외 기타 著, Fiber-Optic Gyroscopes with Depolarized Light, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.10, No.7, 1992년 7월, 992-999 페이지 참조). 가장 단순한 구성은 루프내의 광섬유 초형광 광원 및 감극제와 같은 비편(unpolarized) 광원을 사용한다. 도 13에서 설명되는 것과 같이, 사냑 센서 배 200 내의 하나의 감극제 310은 모든 사냑 루프에 공통되는 지점에 배치되어 있다. 감극제 310은 루프 복굴절이 일정하게 유지되는 동안은 각 센서 212(i)가 이러한 복굴절에 독립적인 일정한 선명도를 가질 수 있도록 보장한다. 이것은 마크젠더 간섭계 센서 배열에서 사용된 방법들과 비교하여, 편광-유도 신호 페이딩의 취급을 크게 단순화시킬 수 있다는 것을 나타내는 것이다.
복굴절의 느린 변화가 사냑 간섭계의 반대되는 특성을 상쇄시키기에 충분하지만, 관심을 있는 음향 범위 내에 있는 주파수들에서의 복굴절 변조는 편광 잡음을 만들어 낼 것이다. 이러한 주파수에서의 대부분의 복굴절 변조는 광섬유의 물리 적인 결과로 발생된다. 따라서 사냑 루프는 편광 잡음(분산 픽업 신호 역시)을 감소시키기 위해 고정되어 있어야만 한다.
사냑 간섭계의 사용으로 생겨나는 잡음원
열 위상 잡음(Thermal Phase Noise)
온도에 따라 광섬유의 굴절 지수(the index of refraction)가 변화하기 때문에, 광섬유 내에서의 열 변동은 이를 통과하는 빛의 위상 변동을 유발하게 될 것이다. 이러한 지수의 변동은 광섬유의 길이와 상관 관계가 없기 때문에, 그 결과로 나타나는 위상 변동은 광섬유 길이의 제곱 피트로 척도를 매긴다. 마크젠더 간섭계는 통상적으로 각 가지에 100m 보다 짧은 광섬유를 사용하기 때문에, 이러한 열 위상 잡음의 크기는 무시할 수 있을 만큼 적다. 사냑 간섭계는 간섭계 내에 아주 많은 광섬유를 사용하고, 그 결과로 열 위상 잡음이 제한되는 잡음원으로 된다. 사냑 간섭계 내의 이러한 열 위상 잡음의 크기는 이론적으로 설명되었으며 실험을 통해 확인되었다.(사례로, Sverre Knudsen 외 기타 (著), Measurements of Fundamental Thermal Induced Phase Fluctuations in the Fiber of a Sagnac Interferometer, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.7, No.1, 1995년, 90-93 페이지; Kjell Krakenes 외 기타 著, Comparison of Fiber-Optic Sagnac and Mach-Zehnder Interferomenter with Respect to Thermal Processes in Fiber, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol.13, No.4, 1995년 4월, 682-686 페이지 참조). 길이가 2㎞ 이상인 루프의 경우, 관심을 가지고 있는 주파수 범위 내에서의 열 위상 잡음은 요구되는 배열 감도와 거의 같은 1 radv㎐를 초과할 수 있다.
열 위상 잡음은 지연 루프에 대한 외부 변조와 유사한 분산 픽업 잡음 원으로 간주될 수 있으며 위에서 설명한 것과 같이 空 결합단을 사용하여 감소될 수 있다. 또한 열 위상 잡음은 루프의 길이를 짧게 만듦으로써 감소시킬 수 있다. 위에서 논의된 것과 같이, 루프 길이는 하이드로폰 광섬유의 길이를 지연 루프의 길이가 감소되는 비율만큼 동일하게 증가시킴으로써 저 주파 감도의 변화 없이 짧게 만들 수 있다. 예를 들면 50m의 하이드로폰 광섬유를 가지고 있는 40㎞길이의 지연 루프는 100m의 하이드로폰 광섬유를 가지고 있는 20㎞ 길이의 지연 루프와 동일한 저 주파수 응답을 가지고 있다. 하지만 후자의 결합은 총 지연 루프의 길이가 거의 절반 정도로 짧기 때문에 전자의 결합보다 열 위상 잡음이 적다.
Kerr 효과 유도 위상 잡음(Kerr Effect Induced Phase Noise)
사냑 간섭계에서 발생 가능한 Kerr 유도 위상 편이는 광섬유 자이로스코프 때문에 엄청나게 많은 관심을 받아 왔다.(참고 자료, R.A. Bergh 외 기타(著), Source statistics and the Kerr effect in fiber-optic gyroscopes, OPTICS LETTERS, Vol.7, No.11, 1982년 11월, 563-565 페이지; R.A. Bergh 외 기타(著), Compensation of the optical Kerr effect in fiber-optic gyroscopes,OPTICS LETTERS, Vol.7, No.6, 1982년 6월, 282-284 페이지; N.J. Frigo 외 기타(著), Optical Kerr effect in fiber gyroscopes: effects of nonmonochromatic sources, OPTICS LETTERS, Vol.8, No.2, 1983년 2월, 119-121 페이지 참조.) 그러나 자이로스코프는 DC 레벨을 측정하기 때문에 자이로스코프와 음향 센서의 요건은 서로 다르다. 광섬유 자이로스코프의 성능을 제한하게 될 Kerr 유도 위상 편이에 의해 생 성된 작은 DC 오프셋은 음향 센서와는 무관하다. Kerr 유도 DC 위상 편이는 바이어스 포인트를 직각 위상으로부터 너무 멀리 옮기지만 않는다면 아무런 문제가 되지 않는다. 광원 상의 휘도 잡음은 출력상에 Kerr 유도 위상 잡음을 발생시킬 수 있다. 그러나 이 Kerr유도 AC위상 잡음은 Kerr 유도 DC위상 편이가 적게 유지되는 한 적게 발생된다. 사냑 센서 어레이에서 Kerr 유도 위상 편이의 원인은 광섬유 자이로스코프에서의 원인과 다르다. 사냑 센서 어레이는 비대칭이므로 명목상 좌우 대칭인 자이로스코프 보다 이런 Kerr 위상 편이가 훨씬 더 쉽사리 일어난다. 이 비대칭은 비대칭인 EDFAs의 설치는 물론 어레이 부분에 기인하는데, 이러한 비대칭 속에서 어떤 빔은 지연루프를 통과하기 전에 이득을 보이고, 그 다음에 손실을 보이는 반면 이와 정반대로 진행하는 빔은 손실을 먼저 보이고 그 다음에 이득을 보인다. 지연루프상에 EDFAs의 위치를 적절히 선택함으로써 이런 비대칭의 균형을 잡고 Kerr 유도 위상 편이를 제로화할 수 있다. 세부적인 사양은 정확한 어레이 구성과 어떤 다중화 방법이 사용되었는지에 에 좌우된다.
EDFAs에 기인하는 비선형 위상 변조
EDFAs에 생긴 밀도 반전(population inversion)은 신호광이 EDFAs를 투과할 때 위상편이를 야기시킨다.(참고 사례로, M.J.F.Digonnet외 기타(著), Resonantly Enhanced Nonlinear in Doped Fibers for Low-Power All-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Vol.3, No.1, 1997년 1월, 44-64페이지 참조.) 이 현상은 모든 광 간섭 스위치를 만드는데 이용되어왔다. 사냑 센서 어레이에서, 간섭계 내의 EDFAs는 동일한 메커니즘을 통해 비선형 위상편이를 일으킨다. 펌프 또는 신호 전력 변동에 기인하는 밀도 반전(population inversion)에서의 변동은 휘도 변조로 바뀌게 될 위상 변조를 일으킨다.
이런 잡음원의 절댓값을 추정하기위해서는, 펌프 및 신호 전력 변동에 반전 밀도(inverted population)가 어떻게 반응하는지에 대한 판별이 첫째로 선행되어야 한다. 에르븀 시스템에 대한 비율을 방정식으로 도출하여 계산하면 비교적 수월 하다:
Figure 112004005422988-pct00010
여기서, N 1 및 N 2 는 하위 및 여기 상태의 모집단 밀도(population density)를 각각 가리키고, N 0 는 총 개체 밀도이며, σ는 단면적을, Aeff는 광섬유내의 유효 모드 면적(effective mode area)를, τ2는 레벨 2의 수명을 가리킨다. 아래에 기입된 첨자 p와 s는 각각 펌프(pump)와 신호(signal)를 의미하며, 어깨 글자 a와 e 는 각각 흡수(absorption) 와 방출(emission)을 의미한다.
N1, N2, Ip, 및 Is를 정상 상태(steady state)와 시변 성분(time-varying components)으로 분리하여 이것을 등식 12에 대입한 뒤, 등식 12를 등식 11과 결합 하면 다음과 같은 결과를 얻게 된다:
Figure 112004005422988-pct00011
여기서, 아래에 기입된 첨자 ss는 정상 상태를 의미하며, 시변 성분들은 시간 명시 함수(N2 = N2 ss + N2(t))로 나타내었다. 만일 N2(t)가 N2 ss 보다 훨씬 작다고 가정하면, 수식 13에서 마지막 2항을 무시할 수 있다. Ip(t)=Ip msin(f pt)와 Is(t)=Is msin(fst)를 대입하여 (여기서, Ip m과 Is m은 Ip(t)와 Is(t) 각각의 변조 진폭을 의미하며, fp와 fs는 각각 펌프와 신호 변조 주파수를 의미한다) 그에 따른 미분 방정식을 풀어 보면, 다음과 같은 수식을 얻을 수 있다:
Figure 112004005422988-pct00012
여기서:
Figure 112004005422988-pct00013
만일 λp=1480㎚, λs=1550㎚, 및 Ip ss =1W 라고 가정하고, 전형적인 에르븀- 실리카 단면이 사용되었다고 가정하면, 수식 14와 15는 다음과 같이 단순화된다:
Figure 112004005422988-pct00014
가장 먼저, 펌프-유도 밀도반전 변동(수식 17)이 분석될 것이다. 만일 Is ss=1㎽, Ip ss=1W이고, Ip m/Ip ss =10-6 /√㎐ (120㏈/√㎐ 전자SNR) 라고 가정하면, 4.3kHz보다 훨씬 낮은 주파수에서 │N2(f p )│/N2 ss = 9×10 -10√㎐-1이 된다. 이 형태를 위상 변조로 변환하기 위해, 1550nm에서 에르븀 첨가 광섬유에 흡수되는 10mW의 펌프 출력은 거의 7 라디안의 위상 시프트를 유도한다는 사실이 사용될 수 있다(사례로 M.J.F. Digonnet 외 기타 著, Resonantly Enhanced Nonlinearity in Doped Fibers for Low-Power All-Optical Switching: A Review, OPTICAL FIBER TECHNOLOGY, Vol.3, No.1, 1997년 1월, 44-64 페이지 참조.). 시뮬레이션을 이용하면, 통상적인 에르븀 첨가 광섬유에서 10mW의 흡수된 펌프 출력은 1550nm에서 약 6㏈의 저 이득 을 제공한다. 이러한 이득은 분산 EDFAs가 있는 배열 내의 각 증폭기에서 요구되는 이득에 근접한 수치이다(사례로 위에서 언급했던 Craig W. Hodgson 외 기타 著, Optimization of Large-scale Fiber Sensor Arrays Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part I: Signal-to-Noise Ratio; Craig W. Hodgson 외 기타 著, Optimization of Large-scale Fiber Sensor Arrays Incorporating Multiple Optical Amplifiers-Part II: Pump-Power; Jefferson L. Wagener 외 기타 著, Novel Fiber Sensor Arrays Using Erbium-Doped Fiber Amplifiers; Craig W. Hodgson 외 기타 著, Large-Scale interferometric fiber sensor arrays with multiple optical amplifiers 참조.). 따라서 각 증폭기는 약 7 라디안의 DC 위상 시프트를 제공한다. 비선형 위상 시프트가 상부상태밀도(upper state population 인 N2에 비례하기 때문에, ΔN2/N2 ss=ΔΦ/Φss로 표현될 수 있다. 이러한 관계와 수식 17 (Is ss=1mW, Ip m/Ip ss=10-6 /√Hz, fs << 4.3 kHz)을 사용하여, 각 EDFA에 의해 유도되는 저 주파수 위상 잡음은 (7 rad) x (9x10-10)√Hz-1 = 6.3 x 10-9 rad/√Hz 이다. 만일 총 500개의 이러한 증폭기가 있고 500개의 모든 증폭기로부터의 위상 변조가 可 간접성으로 추가된다면, 총 펌프 잡은 유도 위상 시프트는 3.2μrad/√Hz으로 예상할 수 있다. 목표 위상 잡음 플로어는 통상적으로 1μrad/√Hz로 설정되는데, 이것은 펌프 출력의 요동으로 인해 EDFA에 의해 유도되는 비선형 위상-잡음은 요구되는 위상 잡음 플로어에 근접하지만 요구치를 훨씬 상회하지는 않는다는 것을 의미한다. 실제적으로는, 증폭기의 위상 변조는 可 간접성을 추가하지 않기 때문에, 3.2μrad /√Hz 수치가 감소하게 될 것이다.
신호 출력 요동에 의한 유도 위상 시프트의 계산은 보다 복잡한데, 그 이유는 신호 출력이 위도 잡음을 가지고 있을 뿐만 아니라 다중화 방식에 의해 변조되기 때문이다. 일반적으로 주어진 펄스가 특정 EDFA를 통과하여 이동하는 TD 의 경우를 다시 한번 고려하면, 역 전파(counter-propagating) 펄스가 동시에 EDF 를 통과하여 이동할 수도 또는 이동하지 않을 수도 있다. 최악의 경우를 고려할 경우, 역 전파 펄스인 Is m는 각 개별 펄스의 휘도 잡음의 두 배가 항상 존재한다. 증폭기의 경우, Is m는 통상적으로 각 개별 펄스의 휘도 잡음의 1.5배에서 2배이다. 신호 빛이 음향 주파수(즉 Is m/Is ss = 10-6/√Hz)에서 120㏈/√Hz의 전자 SNR을 가지고 있다고 가정하고, 이 수치를 수식 18(Ip ss=1W, Is m=2mW)에 삽입하면 4.3kHz보다 훨씬 낮은 주파수에서 ｜N2(fs)｜/N2 ss는 거의 2.4 x 10-9 √Hz-1이 되며, 따라서 각 EDFA에서 신호 휘도 잡음에 의해 유도되는 위상 잡음은 1.68 x 10-8 rad/√Hz이 된다. 다시 한번 모든 EDFA 유도 위상 변조에 500개의 증폭기와 可 간접성이 더해진다고 가정할 경우, 각 펄스에 대한 총 EDFA 유도 위상 잡음은 8.4μrad/√Hz이며, 이 정도 수준은 사냑 센서 배열의 성능을 제한할 수 있다. 하지만 보다 정확한 계산을 위해 서는, 다중화 방식과 배열의 정확한 타이밍에 대한 연구가 추가로 진행될 필요가 있다.
사냑 배열에서의 다중화 방식 (Multiplexing Schemes in a Sagnac array)
다중 시 분할 (Time-Division Multiplexing)
사냑 센서 배열은 다중 시 분할 방식으로 작동되고 있다고 현재까지는 가정되어 왔다. 사냑 센서 배열에서 이와 같은 다중 시 분할 시스템에 대한 광원 요구 조건은 다중 시 분할 방식의 마크젠더 간섭계 센서 배열에 대한 광원 요구 조건 보다 엄격하지 않다는 점을 파악할 필요가 있다. 그 이유는 광역 광원을 사냑 센서 배열에서 사용하고 있기 때문이다. 마크젠더 센서 배열에서는 인접 결합단으로부터의 빛은 선폭이 좁은 광원(narrow linewidth source)으로 인해 可 간접성(coherent)을 가지고 있으며, 이로 인해 다중 경로에 의한 可 간접성 간섭을 방지하기 위한 입력 펄스에 대한 매우 높은 소광(消光) 비율(extinction ration)이 요구된다. 이러한 높은 소광 비율 요구 조건을 충족시키기 위해서 여러 개의 변조기를 직열로 배치하는데, 그 결과 시스템이 매우 복잡해지고 높은 손실이 있으며 가격이 비싸지게 되나. 여기에 더하여, 마크젠더 간섭계 센서 배열에서 요구하는 좁은 선폭으로 인해 리튬 니오베이트 휘도 변조기(Lithium Niobate intensity modulators)에 의해 외부에서 변조되는 연속파(cw: continuous wave) 레이저 광원으로써 펄스 레이저 광원을 사용할 수 없게 된다. 사냑 센서 배열의 경우, 외부에서 변조되는 연속파 ASE 광원, 펄스 ASE 광원 또는 앞에 나온 두 광원을 조합하여 광원을 구성할 수 있다. 다시 설명하자면, 이것이 가능한 이유는 사냑 센서 배열은 선폭이 좁은 광원을 요구하지 않기 때문이다. 본 발명이 선폭이 좁은 광원을 요구하고 있지는 않지만, 본 발명의 사냑 센서 배열은 예를 들면 레이저와 같이 선폭이 좁은 광원과 함께 사용될 수 있다.
다중 주파수 분할 (Frequency-Division Multiplexing)
또한 광대역 광원의 사용으로 인해 사냑 센서 배열은 설계 변경 또는 추가 광원을 필요로 하지 않으면서 비 TDM 구성에서도 작동될 수 있다. 다중 주파수 분할(FDM)은 마크젠더 간섭계 센서 배열에서 PGC(Phase-Generated Carrier) 방식을 채용하여 일반적으로 사용되고 있지만 사냑 센서 어레이와도 호환성이 있다. 도 14는 FDM 방식을 이용한 기본적인 사냑 센서 배열 400을 보여 주고 있다. 광섬유 초형광 광원(SFS) 402(또는 LED와 같은 기타 광대역 광원)는 입력 광을 발생한다. 처프 주파수 발생기 406에 의해 제어되는 휘도 변조기 404를 거쳐, 처프 휘도 변 (chirped intensity modulation)가 입력 광에 적용된다. 변조된 빛은 3x3 결합기 412를 거쳐 센서 배열 410으로 들어 간다. 빛은 지연 루프 410과 각각 센서 418(i를 가지고 있는 복수의 감지 결합단 416(i)을 통해 지나간다. 空 결합단(보이지 않음)도 필요할 경우 포함될 수 있다. 지연 루프 414 및 결합단 416(i)를 통과한 이후, 빛은 결합기 412를 거쳐 센서 배열 410으로부터 빠져 나오며 검출된 빛에 대응하여 전기 출력 신호를 발생시키는 검출기 420에 의해 검출된다. 검출기 420이 발생시킨 전기 출력 신호는 처프 주파수를 t만큼 지연시키는 지연 424에 의해 시간이 지연된 동일한 처프 주파수로 믹서 422에서 믹싱된다. 도 14에서 설명된 셋업과 같이, 믹서 422의 출력은 스펙트럼 분석기 426에 적용된다. 작동 구현 방법 상에 서, 믹서 422의 출력은 배열 410에 영향을 주기 위한 음향 신호를 재 생성 시키기 위해 믹서 422의 출력을 분석하는 신호처리 서브시스템(도에 보이지 않음)에 적용된다.
여러 개의 결합단 416(i)내에 있는 센서 418(i)로부터 되돌아오는 신호들은지연 처프 주파수에 의하여 추가로 지연된다. 도 15에서 원 처프 주파수 450, 지연 424로부터 지연된 처프 주파수 452, 첫 번째 결합단으로부터의 처프 복귀 신호(chirped return signal) 460, 두 번째 결합단으로부터의 처프 복귀 신호 462, 그리고 세 번째 결합단으로부터의 처프 복귀 신호 464가 그래프로 표시되어 있다. 믹서 422에서, 분리된 비트 주파수 f b 1 470, f b 2 472, f b 3 474가 각각(도 14 참조) 믹싱된 처프 주파수 452 및 사냑 센서 배열 410 내에 있는 여러 개의 결합단으로부터 되돌아오는 각 신호들 사이에서 형성되었다(사례로 S.F. Collins 외 기타 著, A Multiplexing Scheme For Optical Fibre Interferometric Sensors Using An FMCW Generated Carrier, OFS'92 Conference Proceedings, 209-211 페이지 참조.). 비록 단 세 개의 처프 복귀 신호 460, 462, 464 만이 도 15에 표시되어 있지만, 배열 410에 N개의 결합단이 있을 경우 최대 N개의 복귀 신호가 제공될 수 있다고 예측할 수 있다. N번째 결합단으로부터의 처프 복귀 신호는 믹서 422에서 비트 주파수 f b N를 유발한다.
도 14에서 스펙트럼 출력을 도으로 표현한 것과 같이, 신호의 음향 변조는 비트 주파수들에 대해 상부 측파대(upper sideband) 480, 481, 482 및 하부 측파대 484, 485, 486로 나타나게 된다. 이러한 FDM 방식의 장점은 배열 타이밍에 대한 요구가, TDM 시스템에서 요구되는 배열 타이밍과 비교할 때, 매우 완화되었다는 것이다. TDM 시스템은 펄스가 겹치는 것을 방지하기 위해 인접 결합단 사이에서 특정한 지연을 요구하고 있으며, 이를 충족하기 위해서는 엔지니어링 측면의 문제가 발생한다. FDM의 경우, 광섬유 길이의 변화에 따라 비트 주파수들을 시프트 시키지만 비트 주파수가 음향 검출 범위의 두 배만큼 분리되어 있는 동안은 신호간의 겸침이 유도되지 않는다. 이것은 적절한 처프 속도(chirp rate)를 선택하면 된다. TDM 시스템과 달리, 모든 경로들은 항상 빛을 돌려 보내는데, 그 결과 서로 다른 비간섭성 신호(incoherent signal)들 간의 위상 잡음이 발생할 수 있다. 광대역 ASE 광원은 이러한 위상 잡음의 크기를 최소화한 (사례로 Moslehi 著, 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, 1986년 8월, 1334-1351 페이지 참조.).
다중 코드 분할 (Code-Division Multiplexing)
다중 코드 분할(CDM)은 센서 배열에서의 활용 가능성으로 인해 최근 들어 많은 관심을 받고 있다(사례로 A.D. Kersey 외 기타 著, Code-division Multiplexed Interferometric Array With Phase Noise Reduction And Low Crosstalk, OFS'92 Conference Proceedings, 266-269 페이지; H.S. Al-Raweshidy 외 기타 著, Spread spectrum technique for passive multiplexing of interferometric optical fibre sensors, SPIE, Vol.1314 Fibre Optics'90, 342-347 페이지 참조.). 도 16에서 CDM 방식의 사냑 센서 배열 600에 대해 설명하는 것과 같이, 광섬유 초형광 광원 602(또는 LED와 같은 기타 광대역 광원)는 코드 발생기 606이 발생시키는 의사 난수(擬似亂數; pseudo-random) 코드에 의거하여 휘도 변조기 604에서 변조된다. 변조된 빛은 3x3 결합기 610을 거쳐 간섭계 루프 608에 적용되고, 지연 루프 614와 배열 612 내에 있는 복수의 결합단 616(i)를 통하여 전파된다. 설명된 구현 방법에서, 각 결합단 616(i)는 각 센서 618(i)를 포함한다.
空 결합단(보이지 않음)도 필요할 경우 포함될 수 있다. 3x3 결합기 610을 거쳐 루프로부터 빛이 복귀하고, 이것은 검출기 620에 의해 검출된다. 검출기 620의 전기 출력은 지연 624에 의해 출력이 τcor만큼 지연된 코드 발생기 606의 출력과 함께 상관기(correlator) 622에 적용된다. 의사 난수 코드(pseudo-random code)의 비트 시간(bit duration)은 배열 612 내의 인접한 결합단 사이의 전파 지연 시간보다 짧다. τcor이 루프 이동 시간의 하나인 τ i 과 같을 경우, 결합단 616(i)에 있는 이 센서로부터 되돌아 오는 신호는 지연된 의사-난수 코드와 상관 관계를 가지게 된다. ｜τ j τ i ｜>τbit일 때 j 의 지연 시간을 가지는, 다른 신호들은 0으로 상관된다. 예를 들면 상관 프로세스는 상관 코드의 켜짐 또는 꺼짐 여부에 따라 검출 신호를 1 또는 -1(또는 차동 증폭기 632의 비반전(non-inverting) 및 반(inverting) 입력으로 전기 게이트 630의 신호를 게이팅시킴)을 곱하는 것이 관련된다. 라인 634상의 차동 증폭기의 출력은 상관 관계를 가진 출력이다. 그런 다음 신호는 코드의 지속 시간과 동일한 주기 t avg 에 걸친 평균 시간을 가진다.
비상관 신호의 평간 시간은 0이 되기 때문에, 센서 618(i)로부터 신호를 격리시킨다. τcor는 모든 센서들로부터 신호를 순차적으로 회수하기 위해 스캔 된다.
TDM에 대해 CDM이 가지고 있는 장점은 센서들간의 지연이 정확하게 제어될 필요가 없다는 것이다. ｜τ j τ j 1｜>τbit인 루프 지연 τ j 는 수용 가능하다(τbit는 코드의 펄스 지속 시간). 상관시킬 때 요구되는 τ j 는 손쉽게 측정된다. FDM에서는 광대역 광원을 사용할 경우 모든 신호를 함께 추가하는 결과로 나타나는 위상 잡음을 감소시키는 장점을 활용할 수 있다.
앞에서는 사냑 간섭계를 기반으로 한 음향 센서 배열과 관련 새로운 설계에 대해 설명했다. 이 설계의 가장 주된 장점들은 공통 경로 간섭계를 사용한다는 것이다. 이렇게 함으로써, 마크젠더 간섭계 센서에서는 널리 사용되는, 광원 위상 잡음의 휘도 잡음으로의 변환이 필요 없게 되며, 저렴하고 고출력인 ASE 광원 또는 기타 광대역 광원의 사용이 가능하게 된다. 음향 주파수의 함수로써의 사냑 센서 배열의 응답은 해상 잡음과 일치한다는 것이 밝혀졌다. 또한 이 설계는 하나의 추가적인 매우 짧은 지연 루프를 사용함으로써 하이드로폰을 추가할 필요 없이 동작 범위를 매우 크게 증가시킬 수 있다. 편광 유도 신호 페이딩을 제거하는 기법은 위에서 논의되었다. 또한 사냑 센서 배열은 표준 마크젠더 배열이 구현하는 다중화 방식과 비교할 때 보다 단순해진 형태로 여러 가지의 다중화 방식을 사용할 수 있게 한다. 이러한 특성들로 인해, 사냑 센서 배열 설계는 마크젠더 간섭계 기반의 센서 배열의 가장 유망한 대안이 될 수 있다.
폴딩 사냑 센서 어레이
도 17 내지 도 20은 다운리드 광섬유들로부터 분산 픽업을 감소시키기 위해 구조를 변경시킨 사냑 효과에 기초한 분산 어코스틱 센서 어레이의 대안 실시예들을 도시한 것이다. 특히, 도 17은 소스(702), 제1 검출기(704) 및 제2 검출기(706)를 포함하는 기본 폴딩 사냑 어코스틱 광섬유 센서 어레이(700)를 도시한 것이다. 소스(702), 제1 검출기(704) 및 제2 검출기(706)는 센서 어레이(700)의 건측(dry end)(예를 들면, 육지 혹은 선박위) 내에 배치되는 것이 바람직하다.
소스(702)는 다운리드 광섬유(708)을 통해 3x3 커플러(710)에 결합되는 광 펄스들을 발생한다. 도시된 바와 같이, 3x3 커플러는 습측(wet end)(예를 들면, 대양저에 근접한 곳) 내에 배치된다. 3x3 커플러(710)는 공통 광섬유 렁(렁 0)(712)의 일 단부에 결합되는 제1 출력 포트와, 어레이(716)의 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 결합되는 제2 출력 포트와, 비반사로 종단되는 제3 출력 포트를 구비한다. 소스(702)로부터의 광의 대략 33%는 3x3 커플러의 제1 및 제2 포트들 각각에 결합되고 이에 따라 광의 대략 33%는 공통 광섬유 렁(712)으로 전파하고 광의 대략 33%는 어레이(716)로 전파한다. 전술한 바와 같이, 여기서는 3x3 커플러(710)로서 기술되었지만, 이외 다른 n x m 커플러들(예를 들면, 2x2 커플러, 4x4 커플러 등)이 도 17의 실시예에 및 이하 기술되는 본 발명의 대안 실시예들에 사용될 수 있다.
어레이(716)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)와 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720) 사이에 결합된 복수의 렁들(718)(i)(즉, 718(1), 718(2)... 718(N))을 포함한다. 각각의 렁(718(i))은 각각의 어코스틱 센서(즉, 하이드로폰)(722(i))를 포함한다. 어레이(716)는 이를테면 도 3에 관련하여 앞서 기술된 바와 같은, 분산 에르븀 도핑 광섬유 증폭기들(EDFA)(724)을 포함하는 것이 잇점이 있다. (EDFA(724)용 펌프원은 도 17엔 도시되지 않았다). 여기서는 어레이(716)에 관하여 기술되었지만, 이외 다른 어레이 구성들은 본 발명에서 잇점이 있게 사용될 수 있다.
제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)는 어레이(716)를 2x2 커플러(730)의 제1 포트에 결합한다. 공통 렁(렁 0)(712)의 제2 단부는 2x2 커플러(730)의 제2 포트에 결합된다. 여기서는 복수의 센서들(722(i))을 포함하는 어레이(716)로서 기술되었지만, 본 발명은 단일 센서(722)만을 구비한 센서 시스템에 적용될 수 있음을 알 것이다.
2x2 커플러(730)의 제3 포트는 단말(732)에서 비반사로 종단된다. 2x2 커플러(730)의 제4 포트는 지연루프 다운리드 광섬유(740)에 결합된다. 지연루프 다운리드 광섬유(740)는 2x2 커플러의 제4 포트를 지연루프(750)의 제1 단부에 결합시킨다. 지연루프(750)는 도시된 바와 같이 건측에 혹은 습측에 배치될 수 있다. 지연루프(750)의 제2 단부는 지연루프(750)의 제2 단부에서 나가는 광이 다시 지연루프(750)로 반사되어 지연루프(750)를 통해 전파하여 지연루프 다운리드 광섬유(740)를 통해 다시 2x2 커플러(730)의 제4 포트로 전파하게 반사기(752)에 결합된다. 지연루프 다운리드 광섬유(740)로부터 되돌아온 광은 2x2 커플러(730)에 의해, 공통 렁(712)에서 전파하는 실질적으로 동일한 부분들과, 어레이(716)에 선 3x3 커플러(710)로 전파하는 두 부분들로 분할된다. 두 부분들은 3x3 커플러(710)에서 결합되는데 이 커플러에선 어레이(716)와 공통 렁(712)을 거쳐 동일 거리를 이동해온 광 펄스들은 간섭하게 되고 서로 다른 거리들로 이동해온 광 펄스들은 간섭하지 않는다. 상호간섭으로부터 나온 신호들은 3x3 커플러(710)로부터 제1 출력신호 및 제2 출력신호로서 출력되고 이들 출력신호 각각은 제1 검출기 다운리드 광섬유(710)를 통해 제1 검출기(704)로 전파하고 제2 검출기 다운리드 광섬유(772)를 통해서 제2 검출기(706)로 전파한다. 검출기들(704, 706)은 센서들(722(i))에 들어오는 어코스틱 신호들을 재현하기 위해 종래의 방식으로 전자장치(도시생략)에 의해 분석되는 전기 출력신호들을 발생한다. 후술하는 바와 같이, 3x3 커플러(710) 내에서 간섭하는 신호들은 각각의 센서(722(i))로부터 서로 다른 시간들에서 되돌아오므로, 전술한 바와 같이, 시분할 다중화, 주파수 다중화, 부호분할 다중화 등에 의해 분리될 수 있다. 간섭하지 않은 신호들은 검출가능한 출력 신호들을 발생하지 않으므로 무시된다.
도 17의 실시예는 사냑 간섭계에 관련하여 전술한 바와 같이, 광섬유 세그먼트들(712, 714) 중 하나에 혹은 비편광 원에 관련하여 편광 소멸기(도시생략)를 삽입시킴으로써 또한 수정될 수 있다. 이러한 실시예들을 도 23a, 도 23b 및 도 23c에 관련하여 이하 기술한다.
이제, 소스(702)로부터 단일 펄스의 광을 센서 어레이(700)를 통해 추적해보도록 하겠다. 소스(702)로부터 소스 펄스가 나와 소스의 다운리드(708)로 해서 3x3 커플러(710)를 거쳐 공통 렁(712)으로 그리고 어레이(716)로 간다. 어레이(716) 내 공통 렁(712) 및 N개의 렁들(718(i))은 소스 펄스들이 2x2 커플러(730)로 가는 N+1개의 분리된 경로들을 제공한다. 소스 펄스가 이동해 가는 N+1개의 분리된 경로들이 있기 때문에, 소스 펄스는 2x2 커플러(730)를 통과하여 지연루프 다운리드(740)로 해서 지연루프(750)로 가는 N+1개의 개별 펄스들로 분할된다. 지연루프(750)를 통과한 후에, N+1 펄스들은 반사기(752)에 의해 반사된 후 다시 지연루프(750)를 거쳐, 여전히 N+1개의 개별 펄스들로서 습측 내 지연루프 다운리드(740) 하류로 해서 2x2 커플러(730)로 전파한다. N+1 펄스들 각각은 공통 렁(712) 및 N 렁들(718(i))에서 N+1 펄스들로 다시 분할된다. 공통 렁(712) 및 렁들(718(i))을 다시 통과한 후에, (N+1)2 펄스들이 3x3 커플러(710)에서 결합된 후 검출기 다운리드들(770, 772)로 해서 펄스들이 제1 및 제2 검출기들(704, 706)에 의해 검출되어 분석되는 곳인 건측으로 다시 되돌아간다.
소스(702)로부터 반사기(752)로 해서 다시 검출기들(704, 706)로의 경로들의 (N+1)2개의 가능한 개별 조합들이 있기 때문에, (N+1)2개의 되돌아오는 펄스들이 있다. 사용할 수 있게 간섭할 유일한 펄스들은 순서는 반대이지만 정확히 동일한 경로의 길이로 이동하는 펄스 쌍들이다. 다음 설명의 목적상, 펄스를 두 개의 숫자들로 식별될 것이며, 여기서 첫 번째는 소스(702)에서 반사기(752)로의 펄스에 의해 취해지는 경로에 대한 것이고 두 번째 숫자는 반사기(752)에서 다시 검출기들(704, 706)로의 펄스에 의해 취해지는 경로에 대한 것이다. 예를 들면, 펄스 0,1은 공통 렁(렁 0)(712)를 통과한 후 지연루프(750)를 통해 반사기(752)로 해서 다시 지연루프(75)를 거친 후 렁(718(1))을 통과한다. 펄스 1,0은 먼저 렁(718(1))을 통해, 지연루프(750)를 거쳐 반사기(752)로 해서, 다시 지연루프(750)를 거친 후 공통 렁(렁 0)(712)를 통과한다.
펄스 0,1에 의해 이동해 간 거리는 펄스 1,0이 이동해 간 거리와 동일하기 때문에, 펄스 0,1 및 펄스 1,0은 3x3 커플러(710)에서 결합될 때 간섭하며 따라서 전술한 사냑 간섭계들과 동일한 방식으로 공통-경로 간섭계(즉, 폴딩 사냑 간섭계)를 형성한다. 어코스틱 감지는 어코스틱 변조에 반응하는 렁(1) 내에 위치한 하이드로폰(722(1))에서 된다. 간섭하는 펄스들 0,1 및 1,0은 서로 다른 시간들에서 하이드로폰(722(1))에 접하므로, 하이드로폰(722(1))의 시변(time varying) 어코스틱 변조에 기인한 위상차를 얻게 된다. 3x3 커플러(710)에서, 이 위상차는 세기 변조로 변환되어 검출기 다운리드들(770, 772) 하류로 해서 검출기들(704, 706)에 전송된다. 동일한 효과가 펄스들 0,2 및 2,0에 대해서, 펄스들 0,3 및 3,0에 대해서, 등등에 대해 일어난다.
폴딩 사냑 간섭계는 공통-경로이므로, 소스(702)는 짧은 코히어런스 길이를 가질 수 있는데, 이것은 거의 동일한 경로들을 이동해 간 펄스들 간에서만 상호간섭이 일어날 것임을 의미한다. 그러므로, 펄스 i,j는 펄스 j,i하고만 간섭할 것이다. 전술한 바와 같이, 중요한 N개의 간섭계들이 있다(i =1 내지 N에 대해서, 펄스 0,i는 펄스 i,0과 간섭한다). 공통 렁(렁 0)(712)을 포함하지 않는 많은 다른 간섭계들도 있다(예를 들면, 펄스 1,2는 펄스 2,1과 간섭하며, 펄스 1,3은 펄스 3,1과 간섭하며, 등등). 이러한 간섭하는 펄스들은 유용한 펄스들에 잡음을 주므 로 여기서는 잡음 펄스들이라 칭한다. 이들 잡음 펄스들은 두 유형들의 잡음을 갖고 있다. 모든 펄스들에서와 같이, 이들은 검출된 잡음을 증가시키는, 추가의 숏 잡음, ASE-신호 비트(beat) 잡음(증폭 어레이에서), 위상 잡음 등을 갖고 있다. 원하지 않는 간섭계를 형성하는 잡음 펄스들(펄스 1,2는 펄스 2,1과 간섭하며, 등등)은 또한 어코스틱 파들의 간섭에 의한 감지에 기인하여 세기 변조가 된다. 이 세기 변조는 원하지 않는 신호이며 잡음원으로서 볼 수 있다. 이들 원하지 않는 간섭계들은 신호 펄스들이 3x3 커플러(710)에서 간섭하는 반면, 렁들(718(1)) 내지 718(N))이 어레이(716)의 제1 입력/출력 광섬유(714)에 결합하는 커플러들(780(1) 내지 780(N))을 간섭 점으로서 갖는 것에 유의하는 것이 중요하다. 잡음 펄스들은 이들이 3x3 커플러(710)에 도달하기 전에 간섭하기 때문에, 잡음 펄스들의 세기 변조는 양 검출기들(704, 706)에 대칭으로 제공된다. 그러나 3x3 커플러(710)에서 간섭하는 신호 펄스들은 비대칭 세기 변조를 야기한다. 그러므로, 검출기들(704, 706)로부터의 전류들을 차동 증폭함으로써, 신호 펄스들의 세기 변조는 더해지고 잡음 펄스들의 세기 변조는 감해져, 원하지 않는 간섭계들의 잡음 기여를 줄이게 된다.
이들 잡음 펄스들에 의해 부가된 모든 잡음을 완전히 제거하기 위해서, 중요 펄스들은 시분할 다중 방식을 사용하고 지연길이들을 적합하게 선택함으로써 잡음 펄스들로부터 분리될 수 있다. 특히, 3x3 커플러(710)에서 공통 렁(712)을 거쳐 2x2 커플러(730)로의 광학 경로 길이는 전파 시간 T에 대응하도록 선택된다. 3x3 커플러에서 커플러(780(1)), 제1 렁(718(1)), 대응하는 커플러(790(1), 2x2 커플러(730)까지의 광섬유 부분의 광학 경로 길이는 (N+1)τ가 되도록 선택된다. 광학 경로 길이의 일부는 3x3 커플러(710)에서 커플러(780(1))까지 및 커플러(790(1))에서 2x2 커플러(730)까지의 공통 경로이고, 광학 경로 길이의 일부는 렁(718(1))을 통하는 경로이다. 렁들(718(i)) 각각을 통하는 광학 경로 길이들은 대략 동일하게 되도록 선택되는 것이 바람직하다. 커플러(780(1))에서 커플러(780(2))까지의 광학 경로와 커플러(790(2))에서 커플러(790(1))까지의 광학 경로의 총 길이는 τ가 되게 선택하여, 3x3 커플러(710)에서 제2 렁(718(2))을 거쳐 2x2 커플러(730)까지의 총 광학 경로 길이가 3x3 커플러(710)에서 제1 렁(718(1))을 거쳐 2x2 커플러(730)까지의 총 광학 경로보다 τ만큼 더 길게 되게 한다(즉, 제2 렁(718(2))을 통한 두 커플러들(710, 730) 간 총 광학 경로 길이는 (N+2)τ이다). 각각의 연속한 렁에 대한 총 추가 광학 경로 길이는 τ로 선택된다. 이에 따라, 3x3 커플러(710)에서 렁(718(i))을 통해 2x2 커플러(730)까지의 광의 이동시간은 렁(718(i))의 지연시간 Ti으로서 정의된다.
전술한 바에 따라, Ti는 다음과 같이 렁들을 통하는 광학 경로 길이들에 의해 결정된다.
Ti = τ i = 0 (공통 렁(712)의 경우)
Ti = (N+i)τ 1 ≤< i ≤ N (감지 렁들(718(1),718(2)) 등의 각각에 경우)
이로부터, 가장 먼 렁(N)을 통하는 광학 경로 길이는 (N+N)τ 또는 2Nτ임을 알 수 있다.
각 펄스의 기간은 단지 T로 선택된다. 따라서, 도 18에 도시된 바와 같이, 3x3 커플러(710)로 되돌아온 제1 펄스(800)는 공통 렁(712)(즉, 렁 0)을 거쳐 소스(702)에서 반사기(752)로 해서 다시 검출기들(704, 706)로 이동해 간 펄스일 것이다. 이 펄스는 2τ의 총 전파시간을 갖는다. (전파 시간들을 비교함에 있어, 지연루프(750)를 거쳐 역으로 반사기(752)로의 각 펄스의 전파시간은 이 전파시간이 모든 펄스들에 공통이고 단순히 도 18의 타이밍도에 오프셋(도시생략)으로서 작용하기 때문에 무시된다). 검출기들(702, 706)로 되돌아 온 다음 펄스 세트(810)는 공통 렁(712)을 거쳐 일 방향으로 이동하고 감지 렁(718(i))을 통해 반대 방향으로 이동해 간 펄스들(즉, 펄스들 0,1 및 1,0; 0,2 및 2,0; 0,3 및 3,0; 내지 0,N 및 N,0)이다. 이들 펄스들은 2τ+Tτ, 3τ+Nτ, 4τ+Nτ내지 (N+1)τ+Nτ의 각각의 전파시간들을 갖는다. 따라서, 모든 유용한 펄스들은 시간 (N+2)τ와 시간 (2N+2)τ사이(수신된 마지막 펄스의 기간 τ을 포함하여)에서 수신된다. 반대로, 양 방향으로 감지 렁(718(i))을 통해 이동해 가는 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 펄스들은 잡음 펄스들로부터 분리된다.
예를 들면, 도 18에서, 시간의 함수로서의 되돌아온 펄스들의 수를 N=50에 대해 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 단일 펄스가 시간 2τ에서 수신된다. 그후엔, 간격 3τ 내지 52τ 동안엔 어떠한 펄스도 수신되지 않는다. 이어서, 52τ 내지 102τ에서, 각 시간간격 동안에 두 개의 펄스들이 수신된다. 이어서 잡음 펄 스들은 시간 102τ내지 시간 201τ에 되돌아간다. 그러므로, 신호 펄스들은 잡음 펄스들로부터 시간적으로 분리되므로, 잡음 펄스들이 신호 펄스들에 잡음을 더하는 것이 방지된다. 전자장치(도시생략)는 시간 52τ와 시간 102τ 사이에 수신된 펄스들만을 접하도록 쉽게 동기화 된다.
다음 펄스에 응하여 0τ 내지 50τ간격이 이전 소스 펄스에 응하여 되돌아 가는 잡음 펄스들의 150τ 내지 200τ와 겹칠 수 있기 때문에 이전 펄스에 대해 150τ의 시간간격에서 다음 펄스를 내보내도록 소스(702)가 활성화될 수 있는 것에 유의한다. 따라서, 다음 세트(830)의 유용한 펄스들은 시간(201)에 도착하는 것을 시작할 수 있다. 그러므로, 도 17 및 도 18의 실시예는 사용가능한 신호 정보에 대해 대략 1/3의 총 듀티 사이클을 갖는다.
앞 도면들에 도시된 사냑 루프에 비해 폴딩 사냑 어코스틱 광섬유 센서(700)의 잇점은 지연 광섬유(750)가 변조에 영향을 받지 않는다는 것이다. 다운리드들은 대부분 매우 길고 크게 이동되고 진동을 받기 때문에, 분산 다운리드 픽업은 사냑 어코스틱 광섬유 센서에 잠재적으로 중대한 제한이 된다. 폴딩 사냑 어코스틱 광섬유 센서(700)에서, 소스(708) 및 검출기 다운리드들(770, 772)은 이들이 간섭계 밖에 있기 때문에 영향을 받지 않는다. 지연루프 다운리드(740)는 모든 간섭하는 펄스들이 작은 시간 지연들(대략 1마이크로초)만큼 떨어진 동일 광섬유를 이동해 가고 따라서 동일 교란에 접하기 때문에 영향을 받지 않는다. 지연루프 다운리드 및 지연루프 자체에의 어떠한 저주파(대략 1MHz 훨씬 미만) 변조든 양 간섭 펄스들에 의해 동등할 것이므로 위상 차에 기여하지 않는다. 어레이부(716) 및 공통 렁(712)은 간섭계(700) 내 유일한 민감한 광섬유들을 포함한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 원격에서 펌핑되는 분산 에르븀 도핑 광섬유 증폭기들(EDFA)(724)는 전술한 바와 같이 파워를 재생하도록 어레이(716) 도처에 위치하여 있을 수 있다.
3x3 커플러(710)는 각 센서(722(i))를 쿼드래처(quadrature)에 가깝게 수동으로 바이어스하여 소스 잡음을 감하는 데 사용된다. 각 검출기(704, 706)가 상반되는 기울기로 바이어스됨에 따라(3x3 커플러(710)로 나오는 신호들이 서로에 관하여 상관시키는 방식 때문에) 위상 변조가 각 검출기에서 세기에 비대칭으로 영향을 미치게 되고 반면 소스 과잉 잡음은 각 검출기에서 세기에 대칭으로 영향을 미치게 된다는 사실에서, 잡음이 감해질 수 있다. 그러므로, 검출기 출력들을 차동 증폭시킴으로써, 원하지 않는 간섭계들로부터의 신호들이 감해지게 되는 바와 동일한 방식으로, 위상 변조로 야기된 세기 변동들이 더해지고 소스의 세기 잡음은 감해진다.
공통 렁(712)을 통해서는 보다 긴 광학 경로 길이를 제공하고 감지 렁들(718(i))을 통해서는 짧은 광학 경로 길이들을 제공함으로써 유사한 시분할 다중화 효과가 달성될 수 있음을 도 17 및 도 18에 관련하여 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 공통 렁(712)은 2Nτ(즉, T0=2N)의 광학 경로 길이를 갖도록 선택되는 것이 잇점이 있을 수 있고, 렁들을 통한 광학 경로들은 τ, 2τ, 3τ,... Nτ이도록 선택되는 것이 잇점이 있을 수 있다. 전술한 바는 다음과 같이 요약될 수 있다.
Ti = 2Nτ i = 0 (공통 렁(712)의 경우)
Ti = iτ I ≤ i ≤ N (각각의 감지 렁들(718(1), 718(2) 등의 경우)
따라서, 되돌아오는 제1 신호는 양 방향으로 제1 렁(718(1))을 통과하는데 요하는 시간인 2τ의 광학 전파시간(모든 신호들에 공통인 지연루프(750)를 거치는전파시간을 뺀)을 가질 것이다. 양 방향으로 감지 렁들(718(i)) 중 하나를 통과하는 어떤 신호의 가장 긴 지연은 가장 먼 감지 렁(718(N))를 통해 양 방향으로 가는 신호에 대해 2N이다. 되돌아오는 제1 사용가능 신호는 공통 렁(712)을 통해 반사기(752)로 가고 제1 감지 렁(718(1))을 거쳐 되돌아오는 신호와 제1 감지 렁(718(1))을 거쳐 반사기(752)로 가고 공통 렁(712)을 거쳐 되돌아오는 신호와의 상호간섭의 결과로 오는 신호이다. 상호간섭 신호는 마지막 원하지 않는 신호보다 나중인 시간 (2N+)τ에 도착할 것이다. 마지막 사용가능 신호는 (2N+N)τ(즉, 3Nτ) 시간에 도착할 것이다. 마지막으로, 공통 렁(712)에서 반사기로 및 이로부터 이동해 간 펄스에 의해 나온 신호는 4Nτ에 도착하며, 이것은 사용가능 상호간섭 신호들로부터 충분히 떨어진 것이다.
어코스틱 센서들은 가능한 한 큰 동적범위(검출가능한 어코스틱 변조 진폭들의 범위)를 갖는 것이 바람직하다. 위상 생성 캐리어 방식과 같은 복조 기술을 사용함이 없이, 어레이의 잡음 성능에 의해 최소 검출가능 위상 변조가 설정되며, 최대 검출가능 위상 변조(대략 1 rad)는 간섭계의 비선형 응답 함수에 의해 설정된다. 마하-젠더 센서에서, 위상변조에 어코스틱 변조의 매핑은 하이드로폰의 응답 도만의 함수이다. 따라서, 이러한 위상변조에 어코스틱 변조의 매핑과 함께 검출가능 위상 변조에 대한 이들 범위는 센서가 검출할 수 있는 어코스틱 변조의 범위를 제공한다.
폴딩 사냑 어코스틱 광섬유 센서 어레이에서, 위상변조에 어코스틱 변조의 매핑은 하이드로폰들(센서들)(722(i)) 각각의 응답도와 지연루프(750)의 길이 양자의 함수이다. 따라서, 지연루프(750)의 길이를 변경함으로써, 센서(722(i))의 동적범위는 하이드로폰들(722(i)) 자체들을 수정함이 없이 조정될 수 있다. 또한, 두 반사기들(752(1), 752(2))이 사용된다면, 각각의 센서(718(i))는 도 19에 센서(850)에 나타낸 바와 같이, 두 개의 서로 상이한 지연루프들(750(1), 750(2))을 가질 수 있다. 이에 따라, 각각의 센서(722(i))는 도 7 및 도 8에 관하여 앞에서 설명된 바와 같이, 서로 다른 동적범위들을 갖는 두 신호들을 되돌려보낼 수 있게 되고, 그럼으로써 각 센서(722(i))의 총 동적범위를 크게 증가시킬 수 있다. 대가로서는 각 개개의 신호에 대한 듀티 사이클이 1 인수(지연루프들 수)만큼 감소된다.
도 20은 광섬유 자이로스코프들에서 사용되고 있는 기술들과 유사한 위상-눌링 기술을 구현하는 센서(900)를 도시한 것이다. 도 17의 지연루프 반사기(752)는 도 20의 센서(900)에선 사용되지 않는다. 그보다는, 펄스들이 복귀 다운리드(910)를 통해 2x2 커플러(730)의 이전에 미사용된 포트로 되돌아간다. 광이 양 방향으로 지연루프(750)를 통과하지 못하게 복귀 다운리드에 광학 분리기(912)가 삽입된다. 도 20의 센서(900)는 반사기(752)를 구비한 도 17의 센서(700)와 동일하게 동 작한다. 그러나, 센서(900)는 복귀 다운리드(910)에 위상 변조기(920)를 추가로 삽입시킬 수 있게 한다. 위상 변조기(920)는 위상 시프트를 각각의 펄스에 개별적으로 추가하도록 활성화된다. 검출된 위상 시프트를 차동 증폭기(922)를 거쳐 위상 변조기(920)에 공급함으로써, 위상 변화들이 없어지게 되고, 위상 변조기(920)에 필요로 인가된 위상 시프트는 신호가 된다. 이러한 위상 눌링 방법에서, 어레이(900)의 동적범위는 위상 변조기(920)가 제공할 수 있는 최대 위상 시프트만큼만 제한된다.
도 21은 두 개의 지연루프들(750(1), 750(2))이 동일 지연루프 다운리드에 접속되지 않은 도 19의 다른 대안으로서의 실시예를 도시한 것이다. 그보다는, 제1 지연루프(750(1))의 제1 단부는 도 19에서처럼 2x2 커플러(730)의 제4 포트에 접속되는 제1 지연루프 다운리드(740())에 접속된다. 제1 지연루프(750(1))의 제2 단부는 전처럼 제1 반사기(752(1))에 결합된다. 제2 지연루프(750(2))의 제1 단부는 제2 지연루프 다운리드(740(2))를 통해 2x2 커플러(730)의 제3 포트에 결합되고, 제2 지연루프(750(2))의 제2 단부는 제2 반사기(752(2))에 결합된다. 2x2 커플러(730)로부터의 광의 대략 반이 다운리드들(740(1), 740(2)) 각각에 결합된다. 각각의 다운리드(740(1), 740(2)) 각각에서의 광은 각각의 지연루프(750(1), 750(20)에서 지연되어 전과 같이 다시 2x2 커플러(730)로 반사된다. 반사된 광은 공통 렁(712)에 그리고 어레이(716)에 결합된다. 지연루프들(750(1), 750(2))의 지연들은 제1 지연루프(750(1))를 통해 2x2 커플러(730)의 제4 포트로부터 전파하는 N+1 펄스들의 어느 것도 제2 지연루프(750(2))를 통해 2x2 커플러(730)의 제3 포트로부터 전파하는 N+1 펄스들 중 어느 것과도 시간적으로 겹치지 않게 선택된다. 따라서, 도 21의 실시예는 도 19의 실시예와 유사한 기능성을 제공하지만, 도 21의 실시예는 도 19에서 2x2 커플러(730)의 제3 포트에 결합되지 않아 폐기되었던 광을 이용한다.
도 22는 폴딩 사냑 센서 어레이를 사용한 광섬유 광학 어코스틱 센서 시스템(1000)의 대안 실시예를 도시한 것이다. 시스템(1000)에서, 소스(1004)는 X-편광기(1008)에 의해 2x2 편광 유지 커플러(1006)의 제1 포트에 결합된다. 검출기(1002)는 X-편광기(1010)를 통해 2x2 커플러(1006)의 제2 포트에 접속된다. 제2 검출기(도시생략)는 소스(1004)에 이어지는 광섬유로부터 광을 결합함으로써 도 22의 실시예에 포함되는 것이 잇점이 있다. X-편광기(1008)는 제1 편광(예를 들면, X-편광)을 갖는 소스(1004)로부터의 광만을 통과시킨다. 따라서, 편광 유지 커플러(1006)는 소스(1004)로부터 X-편광을 갖는 광을 수신하여 이 광을 제3 포트를 통해서는 공통 렁(1020)에, 제4 포트를 통해서는 센서 어레이(1022)에 결합한다. 센서 어레이(1022)는 도 17의 센서 어레이(716)와 유사한 구조를 가지므로 동일 요소들에 동일 참조부호를 사용하였다.
두 개의 X-편광기들(1008, 1010)은 시스템(1000) 내 대안이 되는 위치들에 하나 이상의 X-편광기들로 대치될 수 있다.
공통 렁(1020)은 X-편광기(1030)를 통해 제2 편광 유지 2x2 커플러(1032)의 제1 포트에 결합된다. 어레이(1022)로 전파하는 광은 먼저 편광 소멸기(1034)를 통과한 후 제1 입력/출력 광섬유(714)로 간다. 편광 소멸기(1034)는 실질적으로 동일한 양의 X 편광 광을 X 편광 광과 Y 편광 광에 결합시킨다. 이에 따라, 광의 대략 50%가 어레이(1022)에서 X-편광 광으로서 전파하고, 대략 50%가 어레이(1022)에서 Y-편광 광으로서 전파한다.
어레이(1022)의 렁들을 통과한 후에, 광은 제2 입력/출력 광섬유(720) 및 Y-편광기(1040)를 통해 제2 커플러(10332)의 제2 포트로 전파한다. Y-편광기(1040)는 Y-편광 광만이 제2 커플러(1032)에 들어가게 한다. 커플러(1032)는 어레이(1022) 및 공통 렁(1020)으로부터의 광을 결합한다. 커플러(1032)에 들어가는 광의 대략 반이 커플러(10332)의 제3 포트를 통해 광 흡수 종단(1042)에 결합되고, 광의 대략 반이 광을 지연루프(1052)의 제1 단부로 전파시키는 다운리드 광섬유(1050)에 결합된다.
광은 지연루프(1052)를 거쳐 패러데이 회전 미러(FRM)(1054)로 통과한다. 패러데이 회전 미러(FRM)(1054)의 동작은 공지되어 있으므로 상세히 설명하진 않겠다. 기본적으로, 광이 패러데이 회전 미러(FRM)(1054)에 일 편광으로 입사될 때, 이것은 직교 편광으로 반사된다. 따라서, 공통 렁(1020)을 통과한 X-편광된 광은 Y-편광된 광으로서 반사되고, 어레이를 통과한 Y-편광된 광은 X-편광된 광으로서 반사된다.
반사된 광은 다시 지연(1052)를 통과하여 커플러(1032)의 제4 포트에 들어간다. 광은 공통 렁(1020)과 어레이(1022)에 결합된다. 공통 렁에서 X-편광기(1030)는 원래 어레이(1022)를 통과하였던 X-편광의 광만을 통과시킨다. 유사하게, 어레이(1022)에서 Y-편광기(1040)는 원래 공통 렁(1020)을 통과하였던 Y-편광의 광만을 통과시킨다.
어레이(1022)를 통해 전파한 후에, 되돌아오는 Y-편광 광은 편광 소멸기(1034)에서 편광이 소멸되어 X-편광 광 및 Y-편광 광 모두를 만들어낸다. 공통 렁(1020)으로부터의 광은 커플러(1006)의 제3 포트에 들어가고 편광 소멸기(1034)로부터의 광은 커플러(1006)의 제4 포트에 들어간다. 광은 커플러에서 결합하고, 동일 광학 거리를 이동해 온 두 포트들로부터의 X 편광 광이 간섭하여 제1 및 제2 포트들에 결합된다. 제2 포트에 결합된 광 부분은 간섭하는 신호들이 검출되는 곳인 검출기(1002)에 X-편광기(1010)를 통해 전파한다.
패러데이 회전 미러(1054)에 및 이로부터 서로 다른 경로들로 원래 이동했던 광만이 커플러(1006)에서 간섭하는 것을 알아야 한다. 반사 방향을 공통 렁(1020)을 전파할 수 있는 유일한 광은 어레이(1022)에서 Y 편광 광으로서 원래 전파하였던 X 편광 광이다. 유사하게, 반사 방향을 어레이(1022)의 렁들 중 어느 하나를 전파할 수 있는 유일한 광은 공통 렁(1020)에서 X 편광 광으로서 원래 전파하였던 Y 편광 광이다. 잠재적으로 간섭하는 광은 위에 기술된 실시예들에 관련하여 전술한 잡음 신호들을 만들어내게 양 방향으로 렁들을 통해 이동할 수 없다. 따라서, 원래 공통 렁(1020)에서 이동하였던 반사된 펄스로부터 어레이(1022)에서 발생된 펄스들 각각은 원래 어레이(1022)에서 발생되었고 반사된 후엔 공통 렁(1020)에서 전파하였던 펄스들 중 단일의 펄스하고만 간섭할 수 있다. 따라서, 도 22의 실시예에선 사용가능한 신호 펄스들을 잡음 펄스들로부터 분리시키기 위해 추가의 지연들을 포함시킬 필요가 없다.
도 23a, 도 23b, 도 23c는 본 발명의 다른 대안 실시예들을 도시한 것이다. 도 23a, 도 23b, 도 23c의 실시예들에서 센서 어레이(1100)는 도 17의 실시예의 센서 어레이(700)와 유사하므로 동일 요소들엔 동일 참조부호를 사용하였다. 도 23a, 도 23b, 도 23c의 실시예들은 비편광원(1102)을 포함한다. 도 17에서 2x2 커플러(730)는 도 23a, 도 23b, 도 23c에선 편광 빔 스플리터(PBS)(1104)로 대치되었다. 편광 빔 스플리터(1104)의 사용으로 도 17의 커플러(730) 및 도 22의 커플러(1130)에 비해 대략 6dB의 파워가 감축된다. 도 17의 반사기(752)는 도 22의 패러데이 회전 미러(1054)와 유사한 패러데이 회전 미러(FRM)(1106)로 대치되었다. 도 23a, 도 23b, 도 23c에서 3x3 커플러(710)는 편광 유지 커플러일 필요는 없다.
도 23a, 도 23b, 도 23c 각각은 편광 소멸기(1110)을 포함한다. 도 23a에서, 편광 소멸기(1110)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 위치한다. 도 23b에서, 편광 소멸기(1110)는 공통 렁(712)에 위치한다. 도 23c에서, 편광 소멸기(1110)는 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 위치한다.
도 23a의 실시예에서, 비편광원(1102)은 3x3 커플러(710)에 들어가 대략 동일한 부분들로 공통 렁(712)과 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 결합된다. 도 3 및 도 17에 관련하여 전술한 바와 같이, 3x3 커플러의 사용은 쿼드래처에 가까운 수동 바이어싱을 제공한다. 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에서 전파하는 광은 편광 소멸기(110)를 통과하는데, 이 편광 소멸기는 어레이에 일 편광(예를 들면, X-편광)으로 들어가는 광의 반이 직교 편광(예를 들면, Y 편광)에 결합되게 하고, 마찬가지로 Y 편광으로 어레이에 들어가는 광의 반이 X 편광에 결합되게 하는 효과가 있다. 따라서, 편광 소멸기(1110) 다음에, X 편광 광의 반은 X 편광 방위로 있고 X 편광 광의 다른 반은 Y 편광 방위로 있다. 마찬가지로, 편광 소멸기(1110) 다음에, Y 편광 광의 반은 Y 편광 방위로 있고 Y 편광 광의 다른 반은 X 편광 방위로 있다. 효과적으로, 편광 소멸기(1110)는 비편광 광을 스크램블되게 한다.
광은 다른 실시예들에 관련하여 앞서 기술된 방식으로 어레이(716)를 통과한다. 어레이(716)를 나가는 광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)를 거쳐 편광 빔 스플리터(1104)의 제1 포트(1121)로 전파한다. 편광 빔 스플리터(1104)는 두 개의 직교 편광들(즉, X 편광 및 Y 편광)로 입사 광을 분할한다. 본 설명의 목적상, 편광 빔 스플리터(1104) 45°방위의 편광 종속 미러처럼 동작하며 일 편광(예를 들면 X 편광)으로 제1 포트(1121)에 들어가는 광은 제2 포트(1122)로 반사되고 다른 편광(예를 들면, Y 편광)으로 제1 포트(1121)에 들어가는 광은 제3 포트(1123)로 전송되는 것으로 가정한다. 도시된 실시예에서, 제2 포트(1122)에서 나가는 광은 종단기(732)에 의해 비반사로 흡수된다. 제3 단말(1123)에서 나가는 Y 편광 광은 지연루프 다운리드 광섬유(740), 지연루프(750)을 거쳐 패러데이 회전 미러(1106)로 전파한다. 어레이부(716)로부터 이 Y 편광 광은 편광 소멸기(1110)를 거쳤으며 이의 반은 원래는 X 편광 광이었고 또 반은 원래는 Y 편광 광이었던 것에 유의한다. 전술한 바와 같이, 패러데이 회전 미러(1106)는 입사광이 직교 편광에 결합되게 한다. 이에 따라, Y 편광 광은 X 편광에 결합된다.
패러데이 회전 미러(1106)에 의해 반사된 X 편광 광은 지연 루프(750) 및 지 연루프 다운리드 광섬유(740)를 거쳐 다시 편광 빔 스플리터의 제3 포트(1123)로 간다. 광은 이제 X 편광에 있기 때문에, 광은 제1 포트(1121)로 전송되는 것이 아니라 제4 포트(1124)로 반사된다. 따라서, 원래 어레이(716)로부터 편광 빔 스플리터에 입사하였던 Y 편광 광은 공통 렁(712)에 결합되어 다시 3x3 커플러(710)로 X 편광으로 전파한다.
3x3 커플러(710)에서 편광 빔 스플리터(1104)로 공통 렁(712)을 통해 전파하는 비편광 광은 제4 포트(1124)를 통해 편광 빔 스플리터(1104)에 들어간다. Y 편광 광의 성분들은 제2 포트(1122)로 전송되고 종단기(732)에 의해 비반사로 종단된다.
X 편광 광의 성분들은 제3 포트(1123)로 반사되며 지연루프 다운리드 광섬유(740) 및 지연루프(750)를 통해 패러데이 회전 미러(1106)로 전파한다. (편광 소멸기(1110)를 포함시키는 이유를 이제 이해할 수 있다. 공통 렁(712)으로부터의 X 편광 광만이 지연루프 다운리드 광섬유(740)에 결합되기 때문에, 편광 소멸기(1110)은 어레이(716)에서 지연루프 다운리드(740)에 결합된 광이, 원래 X 편광이었던 어떤 광을 또한 포함하게 한다.) 패러데이 회전 미러(1106)는 광을 Y 편광 광으로서 반사하며, Y 편광 광은 지연루프 및 다운리드 광섬유를 통해 편광 빔 스플리터(1104)의 제3 포트(1123)로 전파한다.
편광 빔 스플리터(1104)의 제3 포트(1123)에 입사되는 Y 편광 광은 제1 포트(1121)에 따라서 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)로 전송된다. Y 편광 광은 어레이(716)을 통해 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)로 전파한 후 편광 소멸기(1110)를 통해 3x3 커플러(710)로 간다. 편광 소멸기(1110)는 대략 50%의 Y 편광 광을 X 편광 광으로 변환시키도록 동작한다. 편광 소멸기(1110)로부터의 X 편광 광은 공통 렁(712)으로부터의 X 편광 광과 간섭한다. 결과적으로 결합된 광은 3x3 커플러(710)에서 간섭 광 신호들 간 위상 관계에 따라 검출기(704)에 의해서 혹은 검출기(706)에 의해 검출된다.
편광 소멸기(1110)에서 3x3 커플러(710)에 입사되는 X 편광 광 및 공통 렁(712)으로부터의 X 편광 광은 동일한 경로 길이들을 이동하는 것에 유의한다. 예를 들면, 공통 렁(712)을 통해 전파하는 광은 먼저 공통 렁(712)을 통해 X 편광으로 전파하고 이어서 Y 편광으로 어레이(716)를 통해 전파한다. 한편, 어레이(716)를 통해 전파하는 광은 먼저 어레이(716)를 통해 Y 편광으로 전파한 후 공통 렁을 통해 X 편광으로 전파한다. 두 "역전파 광 신호들은 간섭 경로의 대응하는 부분들을 통해 전파할 때 동일 편광에 있기 때문에, 전파 길이들은 어레이(716)에 의해 감지된 입사한 잡음의 효과를 제외하곤 동일하다.
편광 빔 스플리터(1104)의 제2 포트(1122)에 결합된 종단기(732)는 Y 편광으로 간섭하는 광에 대해 제2 간섭 경로를 제공하도록 제2 지연루프(도시생략) 및 제2 패러데이 회전 미러(도시생략)로 대치될 수 있다.
제2 지연루프에 의해 제공된 지연을 조정함으로써, 제2 간섭 경로로부터의 복귀 신호들은 제1 간섭 경로로부터의 복귀 신호들과 겹치지 않을 수 있다.
도 23b의 실시예는 공통 렁(712)에 편광 소멸기(1110)가 배치된 것을 제외하곤 도 23a의 실시예와 유사하다. 도 23b에서 편광 소멸기(1110)의 효과는 (1) 단 일 편광(예를 들면, X 편광)으로 편광 빔 스플리터(1104)로부터 되돌아오는 공통 렁(712)의 광 부분이 직교 편광에 결합되게 하며 (2) 3x3 커플러(710)에서 공통 렁(712)을 통해 편광 빔 스플리터(1104)를 향해 이동하는 비편광 광을 스크램하게 하는 것이다. 이것은 3x3 커플러(710)에서 재결합할 때 광이 간섭되게 한다(편광 소멸기(1110)가 도 23a의 광섬유(714)에 부가되었던 것과 동일한 이유).
도 23c의 실시예는 편광 소멸기(1110)가 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 배치된 것을 제외하곤 도 23a의 실시예와 또한 유사하다. 도 23c의 실시예는 광이 어레이부(716)를 통과한 후 편광 소멸기(1110)를 통과하거나 편광 소멸기(1110)를 통과한 후 어레이부(716)를 통과하는지에 상관없으므로 도 23a의 실시예와 기능적으로 동등하다. 따라서, 도 23c의 실시예의 기능은 전술한 바와 같이 도 23c의 실시예의 기능과 동일하다.
도 24는 폴딩 사냑 센서 어레이(1200)가 도 23a에 어레이(1100)에 도시된 바와 같이 접속된 편광 빔 스플리터(PBS)(1104), 패러데이 회전 미러(FRM)(1106), 및 편광 소멸기(1110)를 포함하는 본 발명의 다른 대안 실시예를 도시한 것이다. 도 23a와 다른 성분들에 전과 같이 번호를 매겼다. 3x3 커플러(710)을 구비한 도 23a에 어레이(1100)와는 달리, 폴딩 사냑 센서 어레이(1200)는 도 22에 2x2 커플러(1006)과 동일한 방식으로 접속된 편광 유지(PM) 2x2 커플러(1220)을 구비한다. 2x2 커플러(1220)의 한 포트는 제1 편광기(1224)를 통해 광학 회전기(1222)의 제1 포트에 접속된다. 광학 회전기(1222)의 제2 포트는 제1 검출기(1226)에 접속된다. 광학 회전기(1222)의 제3 포트는 비편광원(1228)(예를 들면, 세기 변조 광 섬유 슈퍼플루오레슨트원)에 접속된다. 2x2 커플러(1220)의 제2 포트는 제2 편광기(1232)를 통해 제2 검출기(1230)에 접속된다. 검출기들(1226, 1230) 및 비편광원(1228)은 표준(편광 유지가 아닌) 광섬유들에 의해 회전기(1222)에 접속된다. 편광기들(1224, 1232)은 편광기들(1224, 1232)이 편광 유지 2x2 커플러(1220)의 동일 축에 정렬되게 편광 유지 광섬유를 통해 편광 유지 커플러(1220)에 결합된다. 대안으로, 편광원이 비편광원(1228) 대신에 사용된다면, 편광원(도시생략)은 편광 유지 광섬유에 의해 편광 유지 회전기(도시생략)에 접속되고, 편광 유지 회전기는 회전 유지 광섬유에 의해 편광기(1224)에 접속된다. 편광 유지 성분들은 소스로부터의 편광 광이 편광기(1224)를 통과하도록 접속된다. 편광 유지 회전기에서 검출기들(1226, 1230)에의 접속들은 표준(편광 유지가 아닌) 광섬유들에 의해 제공된다.
폴딩 사냑 센서 어레이(1200)는 비상보 위상 시프터(1250)를 더 포함한다. 위상 시프터(1250)은 제1 단부(1254) 및 제2 단부(1256)를 구비한 제1 광섬유(1252)와 제1 단부(1260) 및 제2 단부(1262)를 구비한 제2 광섬유(1258)을 통해 공통 렁(712)에 결합된다. 제1 광섬유(1252)의 제1 단부(1254)는 제1 커플러(1264)를 통해 2x2 커플러(1220)에 가까운 공통 렁(712)에 결합된다. 제2 광섬유(1258)의 제1 단부(1260)는 제2 커플러(1266)를 통해 편광 빔 스플리터(1104)에 가까운 공통 렁(712)에 결합된다. 제1 및 제2 광섬유들(1252, 1258)의 각각의 제2 단부들(1256, 1262)은 도 26 및 도 26에 관련하 후술하는 바와 같이, 위상 시프터(1250)에 결합된다.
바람직하게, 공통 렁(712), 제1 광섬유(1252) 및 제2 광섬유(1258)는 편광 유지(PM) 광섬유들이며, 제1 커플러(1264), 제2 커플러(1266) 및 2x2 커플러(1220)은 편광 유지(PM) 커플러들이다. 또한, 바람직하게, 제1 커플러(1264) 및 제2 커플러(1266)는 어느 한 방향으로 공통 렁(712)에 들어가는 광의 대략 50%를 위상 시프터(1250)에 결합하고 광의 대략 50%는 공통 렁에 잔류하게 하는 50/50 커플러들이다. 따라서, 비상보적 위상 시프터(1250) 및 연관된 광섬유들은 공통 렁(712)과는 병렬로 제2 렁(1268)을 형성한다.
바람직하게, 렁들(712, 1268) 중 하나(예를 들면, 공통 렁(712))는 렁들을 전파하는 펄스들이 겹치지 않을 만큼 충분한 시간 지열을 한 렁에 도입시키는 지연 요소(예를 들면, 지연루프(1269))를 포함한다. 따라서, 센서 어레이(716)로부터 2x2 커플러(1220)로 되돌아가는 광은 서로 간에 시간적으로 떨어진 각 센서에 두 개의 펄스들을 포함한다. 한 펄스는 각 방향으로 공통 렁(712)을 통과하는 결합된 광을 포함한다. 다른 한 펄스는 각 방향으로 비상보적 위상 시프터(1250)를 통과하는 결합된 광을 포함한다. 일 방향으로 위상 시프터(1250)를 통과하는 광 펄스와 다른 방향으로 공통 렁(712)을 통과하는 광 펄스는 실질적으로 서로 다른 전파시간들을 가져 커플러(1220)에서 겹치지 않을 것임을 알 것이다. 따라서, 이들은 간섭하지 않을 것이다.
일 방향으로 공통 렁(712)을 통과하는 광은 다른 방향으로 공통 렁을 통과하는 광에 대해 공통 렁(712) 내에서 어떠한 위상 시프트도 받지 않는다. 따라서, 양 방향으로 공통 렁(712)을 통과하는 결합된 광은 제로의 상대적 위상 바이어스를 갖는다. 그러나, 후술하는 바와 같이, 비상보적 위상 시프터(1250)는 다른 방향으로 광에 관하여 일 방향으로 광의 시프트를 도입한다. 특히, 바람직한 실시예에서, 위상 시프터(1250)는 두 방향으로 광 간에 상대적 π/2 위상 시프트를 도입한다. 따라서, 양 방향으로 위상 시프터(1250)를 전파한 커플러(1220)에 들어가는 광은 π/2 위상 바이어스를 갖고 커플러(1220)에서 결합할 것이다.
이 기술에 숙련된 자는 도 24에 도시된 간섭계 구성에서 50% 커플러(1220)는 두 개의 입력 포트들에 복귀 광이 커플러에서 간섭하여 0, 2π, 4π 등의 상대 위상차를 가질 때 원 입력포트에 대응하는 출력 포트에 복귀 광을 결합하고 광이 π, 3π, 5π 등의 상대 위상차를 가질 땐 복귀 광을 다른 출력포트에 결합한다는 것을 알 것이다. 복귀 광이 π배가 아닌 상대 위상차를 가질 때, 복귀 광 부분은 양 포트들로부터 출력된다. 예를 들면, 상대 위상차가 π/2의 기수 배일 땐(예를 들면, π/2, 3π/2 등), 복귀 광의 대략 50%가 각 출력포트에 결합된다. 두 개의 독립적인 전파 경로들을 제공함으로써, 각각의 검출기(1226, 1230)는 시간적으로 떨어져 있어 개별적으로 검출될 수 있는 두 개의 신호들을 수신한다. 한 신호는 0 위상 바이어스를 가지며, 한 신호는 π/2 위상 바이어스를 가지므로 한 신호가 교란에 최소로 민감할 때, 다른 신호를 교란에 가장 민감하고, 그 반대로도 된다. 서로 다른 위상 바이어싱을 갖는 펄스들을 제공하기 위해, 공통 렁(712)에 병렬로 상이한 량들의 상대 위상 시프트를 갖는 추가 렁들이 포함될 수 있음을 알 것이다.
도 25는 도 24의 폴딩 사냑 센서 어레이(1200)와 실질적으로 유사한 폴딩 사냑 센서 어레이(1200')의 대안 구성을 도시한 것이다. 도 25의 폴딩 사냑 센서 어 레이(1200')에서, 편광 소멸기(1110)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)가 아닌 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 위치하여 있다. 센서 어레이(716)의 상보적 구조 때문에, 편광 소멸기(1110)를 광섬유(720)에 재배치해도 폴딩 사냑 센서 어레이(1200)의 동작에 관하여 폴딩 센서 어레이(1200')의 전체 동작은 변하지 않는다. 따라서, 폴딩 사냑 센서 어레이(1200')의 동작에 대해 여기선 상세히 기술하지 않겠다.
도 24 및 도 25의 실시예들은 위에서 상세히 기술한 센서 어레이(716)를 포함한다. 도 24 및 도 25의 실시예들에서의 센서 어레이(716) 대신에 증폭 센서 어레이들의 다른 구성들이 사용될 수도 있음을 알 것이다.
도 26은 도 24 및 도 25의 비상보적 π/2 위상 시프터(1250)의 제1 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 도 26에 도시된 바와 같이, 위상 시프터(1250)는 제1 시준렌즈(1270), 제1 45° 패러데이 회전기(1272), 1/4파 판(1274), 제2 45° 패러데이 회전기(1276), 및 제2 시준렌즈(1278)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 제1 패러데이 회전기(1272), 제2 패러데이 회전기(1276) 및 1/4파 판(1274)은 시판 중의 부피가 큰 광학 장치들을 포함하지만 광섬유 광학 혹은 이외 다른 도파관 장치들을 포함하는 것이 잇점이 있을 수 있다. 시준렌즈들(1270, 1278)는 광섬유 양단부(1256, 1262)로부터의 광을 패러데이 회전기들(1272, 1276)에 각각 집점시키고 패러데이터 회전기들(1272, 1276)로부터의 광을 광섬유의 양단부(1256, 1262)에 집점시키기 위해 PM 광섬유들(1252, 1258)의 제2 단부들(1256, 1262) 가까이에 배치된다.
패러데이 회전기들(1272, 1276) 각각은 알려진 방식으로 특정의 각도의 편광을 갖고 패러데이 회전기에 입력되는 광의 편광이 회전되게 동작하므로 편광은 원래 각도에 관하여 소정의 양만큼 회전된 새로운 각도에 있다. 예를 들면, 바람직한 실시예에서, 각각의 패러데이 회전기(1272, 1276)는 입사광의 편광을 반시계(CCW) 방향으로 45°만큼 회전시킨다. 따라서, 도 26에 도시된 바와 같이, 편광이 수평 방위로 있는 PM 광섬유(1252)의 단부(1256)로부터 방출된 광은 제1 패러데이 회전기(1272)에서 45°만큼 반시계 방향으로 회전될 것이므로 편광은 제1 패러데이 회전기(1272)로부터 나올 때는 원래 방위에 관하여 시계방향으로 45°의 각도의 방위에 있게 된다.
1/4파 판(1274)는 두 개의 패러데이 회전기들(1272, 1276) 사이에 위치한다. 1/4파 판(1274)은 제1 복굴절 축(1280) 및 이에 직교한 제2 복굴절 축(1282)을 갖는다. 일 복굴절 축(예를 들면, 제1 복굴절 축(1280))을 따른 방위의 편광으로 전파하는 광은 다른 복굴절 축(예를 들면, 제2 복굴절 축(1282))을 따른 방위의 편광으로 전파하는 광보다는 느린 전파속도를 갖는다. 1/4파 판(1274)은 예를 들면 수직에 대해 시계방향으로 45° 방위에 있도록 방위를 취하고 있으므로 제1 패러데이 회전기(1272)에서 나오는 광이 제1 복굴절 축(128)을 따른 방위에 있도록 그리고 제2 복굴절 축(1282)에 직교하게 된 방위로 놓여 있다. 두 축들을 따른 전파속도들의 차이 때문에, 1/4파 판(1274)은 제2 복굴절 축(1282)을 따라 편광된 광에 관하여 제1 복굴절 축(1280)을 따라 편광된 광에 π/2 또는 90° 위상 시프트를 도입시킨다. 따라서, 이 예에 따라, 제1 복굴절 축(1280)과 일치하게 되게 회전되었던 원래 수평 편광으로 전파한 광은 제2 복굴절 축(1282)을 따라 전파하는 어떤 광에 관해서도 90°의 상대 위상 시프트를 야기시킨다.
1/4파 판(1274)을 통과한 후에, 광은 제2 패러데이 회전자(1276)를 통과하여 다시 반시계 방향으로 45°만큼 회전된다. 제2 패러데이 회전자(1276)에서 나온 광은 제2 시준렌즈(1278)를 통과하여 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)에 집점된다. 전술한 바로부터, 수평 편광으로 제1 PM 광섬유(1252)로부터 출력되는 어떠한 광이든 수직 편광으로 제2 PM 광섬유(1258)에 들어간다는 것을 알아야 한다. 전술한 바와 같이, 수직 편광으로 제2 PM 광섬유(1258)에 들어가는 광은 1/4파 판(1274)의 느린 복굴절 축(1280)을 따라 전파하였을 것이므로 빠른 복굴절 축(1282)을 따라 전파하는 광에 관하여 π/2 위상차를 초래할 것이다.
본 설명에서 지적한 바와 같이, 비상보적 위상 시프터(1250)는 패러데이 회전자들(1272, 1276)의 동작에 기인하여 비상보적으로 동작한다. 전술한 바와 같이, 제1 PM 광섬유(1252)에서 제2 PM 광섬유(1258)로 패러데이 회전자들(1272, 1276)을 통과하는 광은 도 25에 도시한 광의 전파 방향에 관하여 각각의 회전자에 의해 반시계 방향으로 45°만큼 회전된다. 패러데이 회전자들이 상보적이면, 반대 방향으로 패러데이 회전자들(1272, 1276) 통과하는 광은 광의 전파 방향에 관하여 반시계 방향으로 또한 회전될 것인데, 그러나, 패러데이 회전자들은 비상보적이기 때문에, 광은 반대 방향(즉, 광의 전파 방향에 관하여 시계방향)으로 회전된다. 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)에서, 비상보적 위상 시프터(1250)를 거쳐, 제1 PM 광섬유(1252)의 제2 단부(1256)로 통과하는 광에 대한 비상보적 효과를 도 27에 도시하였다. 도 27에서와 같이 보았을 때, 회전은 다시 반시계 방향으로 되는 것처럼 보이지만 광은 현재 뷰어쪽으로 전파해 가고 있는 것에 유의한다. 따라서, 수직 편광으로 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)로부터 방출된 광은 제2 시준렌즈(1278)를 거쳐 제2 패러데이 회전자(1276)를 통과하여 1/4파 판(1274)의 제2 빠른 복굴절 축(1282)에 정렬된 방위로 회전된다. 이에 따라, 원래 수직 편광의 광은 1/4파 판(1274)을 전파해 나갈 때 상대적인 지연을 겪지 않는다. 1/4파 판(1274)을 통과한 후에, 수평 편광으로 더 45°되게 광이 제1 패러데이 회전자(1272)를 통과한다. 이어서 광은 제1 시준렌즈(1270)를 통해 제1 PM 광섬유(1252)의 제2 단부(1256)에 집점된다.
전술한 바로부터, 제1 PM 광섬유(1252)에서 제2 PM 광섬유(1258)로 비상보적 위상 시프터(1250)를 통해 제1 방향으로 통과하는 수평 편광 광은 1/4파 판(1274)의 느린 복굴절 축(1280)을 통해 전파하여 90°혹은 π/2의 상대적 위상 지연이 됨을 알 수 있다. 제1 방향으로 전파하는 수평 편광 광은 광이 제2 PM 광섬유(1258)에 들어갈 때 수직 편광의 방위로 되게 회전된다. 반대로, 제2 PM 광섬유(1258)에서 비상보적 위상 시프터(1250)를 통해 제1 PM 광섬유(1252)로 제2 방향으로 통과하는 수직 편광된 광은 1/4파 판(1274)의 빠른 복굴절 축(1282)을 전파하여 상대적 위상 지연이 되지 않는다. 제2 방향으로 전파하는 수직 편광 광은 제1 PM 광섬유(1252)에 들어갔을 때 수평 편광의 방위로 되게 회전된다. 이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 제2 방향으로 전파하는 수직 편광 광에 관하여 제1 방향으로 전파하는 수평 편광 광 간의 상대적 위상 시프트는 π/2 위상 바이어스를 제공 한다.
도 28 및 도 29는 비상보적 위상 시프터(1250)의 대안으로서의 실시예를 도시한 것으로, 제1 패러데이 회전자(1272)는 1/4파 판(1274)(제1 1/4파 판이라 칭함)과 제2 1/4파 판(1294) 사이에 배치되어 있다. 도 28에서, 제1 PM 광섬유(1252)의 제2 단부(1256)로부터의 광은 전과 같이 제1 시준렌즈(1270)에 의해 시준된다. 광은 원래 수평 편광이다. 광이 제1 1/4파 판(1274)을 통과할 때, 원형 편광을 갖는 광으로 변환된다. 원형으로 편광된 광은 제1 패러데이 회전자(1272)를 통과하여 원형 편광 광에 φ의 위상 시프트가 야기된다. 바람직한 실시예에서, 제1 패러데이 회전자(1272)는 π/4의 위상 시프트를 야기하도록 선택된다. 패러데이 회전자(1272)로부터의 광은 원형으로 편광된 상태에 있고 원형 편광 광을 수직 편광 방위로 선형으로 편광된 광으로 변환시키는 제2 1/4파 판(1294)을 통과한다. 수직 편광되는 것 외에도, 광은 φ의 위상 시프트(예를 들면, π/4)되었다.
도 29는 반대 방향으로 전파하는 광에 대한 비상보적 위상 시프터(1250)의 대안으로서의 실시예의 동작을 도시한 것이다. 도 29에서, 제2 PM 광섬유(1260)의 제2 단부(1262)로부터의 수직 편광 광은 제2 시준렌즈(1278)에 의해 시준되어 제2 1/4파 판(1294)을 통과한다. 제2 1/4파 판(1294)은 수직 편광 광을 원형 편광을 갖는 광으로 변환시킨다. 원형 편광 광은 제1 패러데이 회전자(1272)를 통과하여 이전과 같이 위상 시프트된다. 광이 반대 방향으로 제1 패러데이 회전자(1272)를 통해 전파하고 있기 때문에, 광은 -φ의 반대 위상 시프트(예를 들면, -π/4)가 된 다. 이어서 제1 패러데이 회전자(1272)로부터의 광은 제1 1/4파 판(1274)을 통과하며, 여기서 원형 편광 광은 수평 편광을 갖는 선형 편광 광으로 변환된다. 이에 따라, 두 방향으로 전파하는 광은 도 26 및 도 27에 도시된 비상보적 위상 시프터(1250)의 제1 실시예와 동일한 효과를 갖는 총 2φ(예를 들면, π/2)의 상대 위상 시프트가 된다.
편광의 방위 및 위상 지연에 관한 비상보적 위상 시프터(1250)의 효과는 위에서 기술된, 도 24에 관련하여 다시 설명된 바이어싱 효과를 제공한다. 도 24에 도시된 바와 같이, 수직 편광으로 제2 PM 광섬유(1258)에 들어가는 광은 제2 PM 커플러(1266)에서, 제1 PM 커플러(1264)에서 제2 PM 커플러(1266)로 공통의 렁(rung)(712)를 통해 전파한 광과 결합된다. 다음 설명에서 명백하게 되는 이유로, 공통 렁(712)에서 제2 PM 커플러(1266)에 들어가는 광은 제2 PM 광섬유(1258)에서 제2 PM 커플러에 들어가는 광과 동일한 편광을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라, 바람직한 실시예에서, 제2 PM 광섬유(1258) 혹은 공통 렁(712)은 90°만큼 회전되므로 제2 PM 광섬유(1258)에서 수직 편광의 광은 공통 렁(12)의 수평 편광의 광과 동일한 방향의 방위로 된다. 이것은, 제2 PM 광섬유(1258)의 수직 편광 축을 따른 방위로 놓인 상태로 하여 수직 편광 광이 제2 단부(1262)에 들어가도록 제2 시준렌즈(1278)에 가까운 제2 PM 광섬유(1258)의 제2 단부(1262)를 회전시킴으로써 쉽게 달성된다. 이에 따라, 수직 편광 상태로 비상보적 위상 시프터(1250)를 나가는 광은 제2 PM 커플러(1266)의 편광 축들에 관하여 수평 편광 상태의 광으로서 제2 PM 커플러(1266)에 인가된다. 따라서, 비상보적 위상 시프터(1250)로부터의 광은 공통 렁(712)으로부터의 광과 동일한 편광 상태를 갖는다.
공통 렁(712)을 통과하는 광 및 비상보적 위상 시프터(1250)를 통과하는 광은 다음에 편광 빔 스플리터(PBS)(1104)의 포트(1124)에 들어간다. 수평 편광 광은 PBS(1104)의 포트(1123)에서 광섬유(740)로 출력된다. 광섬유(740)는 지연 루프(750)를 포함하며, 패러데이 회전 미러(FRM)(1106)가 단말로 되어 있다. 지연 루프(750) 및 FRM(1106)은 전술한 바와 같이 동작하며, 반사 및 지연된 펄스들은 수직 편광으로 PBS(1104)의 포트(1123)로 되돌아온다. 펄스들은 PBS(1104)의 포트(1121)에서 광섬유(720)를 거쳐 어레이(716)로 출력되며, 어레이(716)의 센서들(722(i))을 통해 시계방향으로 전파한다.
펄스들은 어레이(716)로부터 광섬유(714) 및 편광 소멸기(depolarizer)(1110)를 거쳐 시계방향 광이 반시계 방향으로 전파하는 광과 결합되는 곳인 2 x 2 커플러(1220)로 출력된다. 역전파 광은 수평 편광 광으로서 시작한다. 광은 편광이 소멸되어 센서 어레이(716)를 통과한다. 센서 어레이(716)로부터 나오는 수직 편광 광은 PBS(1123)에 의해 반사되어 포트(1122) 및 종단기(732)를 통해 없어진다. 센서 어레이(716)로부터 나오는 수평 편광 광은 PBS(1123)을 통과하여 루프(750)에 의해 지연되고 FRM(1106)에 의해 수직 편광으로 회전된다. 수직 편광의 리턴 광은 PBS(1123)에 의해 포트(1124)로 반사되고 이에 따라 제2 PM 커플러(1266)에 보내진다. 광의 일부는 공통 렁(712)의 지연 루프(1269)를 통과하고 광의 일부는 비상보적 위상 시프터(1250)를 통과한다. 전술한 바와 같이, 수직 편광으로 비상보적 위상 시프터(1250)에 들어가는 광은 1/4 파 판(1274)의 빠른 복굴절 축(1282)(도 27)을 통해 전파하고 상대적 위상 지연이 되지 않는다. 이에 따라, 반시계 방향의 광의 두 개의 펄스들은 이들이 시계방향으로 전파하는 광 펄스들과 결합되는 곳인 커플러(1220)로 전파한다. 양 방향으로 공통 렁(712) 및 지연 루프(1269)를 통과한 광 신호들은 어떠한 상대적 지연 시프트도 되지 않으며 전술한 바와 같이 결합한다. 양 방향으로 비상보적 위상 시프터(1250)를 통과한 광 신호들은 시계방향으로 전파하는 신호와 반시계 방향으로 전파하는 신호 간에 π/2의 상대적 위상 시프트가 되며 이에 따라 전술한 바와 같이 π/2의 위상 바이어스를 갖는다. 커플러(1220)의 양 출력들에서, 센서 어레이(1200)로부터 리턴되는 광의 두 펄스들의 일부는 편광기(1224)에 보내지고, 나머지는 편광기(1232)로 보내진다. 두 편광기들(1224, 1232)이 역할은 루프에 들어가는 광이 루프를 떠나는 광고 동일한 편광을 갖게 하는 것으로, 상보성을 보증한다. 전에 기술된 바와 같이, 검출기(1230)에 도달하는 두 개의 펄스들은 위상이 직교 관계에 있어, 신호 페이딩을 피하기 위한 이 기술에 공지된 많은 신호 처리 기술들을 사용할 수 있게 하여준다. 유사한 설명이 검출기(1226)에도 적용된다. 도 24의 실시예에서, 직교상의 두 개의 펄스들을 생성하는 것은 비상보적 위상 시프터(1250)를 포함하는 렁을 사용하기 위한 것이 주 이유이다.
도 30 내지 도 36은 본 발명의 또 다른 대안으로서의 실시예들을 도시한 것으로, 여기서 폴딩 사냑 센서 어레이는 복수의 검출기들에 대한 편광 기반의 바이어싱을 이용하며 각각의 검출기는 다른 검출기들의 바이어스 점들과는 관계없이 설정될 수 있는 바이어스 점을 갖는다. 도 30 내지 도 36의 실시예들은 위에 상세히 기술된 센서 어레이(716)를 포함한다. 도 30 내지 도 36의 실시예들에서 센서 어레이(716) 대신에 증폭 센서 어레이들의 다른 구성들이 또한 사용될 수 있음을 알 것이다.
도 30에 도시된 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)에서, 편광 광섬유 슈퍼플루어레슨트(superfluorescent)원(SFS)(1310)이 광섬유(1314)를 통해 편광 제어기(1312)에 결합된다. 광섬유(1314)는 또한 편광 제어기(1312)를 2 x 2 커플러(1316)의 제1 포트에 결합시킨다. 커플러(1316)의 제2 포트는 후술하는 출력 포트이다. 커플러(1316)의 제3 포트는 광섬유(1318)를 통해 비반사 종단기(1320)에 결합된다. 커플러(1316)의 제4 포트는 공통 어레이의 입력/출력 광섬유(1334)를 통해 편광 빔 스플리터(PBS)(1332)의 제1 포트(1330)에 결합된다. 편광 빔 스플리터(1332)의 제2 포트(1336)는 제1 수평 편광기(1338)에 결합된다. 제1 수평 편광기(1338)는 어레이(716)의 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 결합된다. 편광 빔 스플리터(1332)의 제3 포트(1340)는, 지연 루프(1344)에 형성되고 패러데이 회전 미러(FRM)(1346)이 단말로 된 공통 지연 광섬유(1342)에 접속된다. 편광 빔 스플리터(1332)의 제4 포트(1348)은 제2 수평 편광기(1350) 및 이에 이어 편광 소멸기(1352)에 결합된다. 편광 소멸기(1352)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 결합된다.
커플러(1316)의 제2 포트는 광섬유(1362)를 통해 검출기 서브-시스템(1360)에 결합된다. 도 30의 실시예에서, 검출기 서브-시스템(1360)은 커플러(1316)의 제2 포트로부터의 광을 받는 단일 입력 포트를 구비한 1 x n 커플러(1364)를 포함 한다. 1 x n 커플러(1364)의 제1 출력 포트는 편광 제어기(1366)에 결합된다. 편광 제어기(1366)는 편광기(1368)에 결합되고 이 편광기는 제1 검출기(1370)에 결합된다. 1 x n 커플러(1364)의 제2 출력은 편광 제어기(1372)에 결합된다. 편광 제어기(1372)는 제2 검출기(1376)에 결합되는 편광기(1374)에 결합된다. 추가로 편광 제어기들, 편광기들 및 검출기들(도시생략)은 1 x n 커플러(1364)의 추가 포트들(도시생략)에 접속될 수 있다.
도 30의 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)는 다음 방식으로 동작한다. 편광 SFS(1310)은 광섬유(1314)를 통해 편광 제어기(1312)를 통과하는 편광된 출력 신호를 제공한다. 편광 제어기(1312)는 편광을 원하는 상태의 편광으로 가변시키도록 조정할 수 있다. 예를 들면, 도 30에서, 편광 상태는 편광 빔 스플리터(1332)에의 입력에서 수직축 및 수평축에 관하여 45° 방위로 된 선형 편광 광을 제공하도록 조정된다. 광은 광섬유(1314) 내에 머물러 있고 커플러(1316)에의 입력으로서 제공된다. 커플러(1316)는 입력되는 광의 대략 50%를 제1 광섬유(1318)에 결합시키고 이에 따라 비반사 종단기(1320)에서 없어진다. 커플러(1316)는 입력되는 광의 대략 50%를 공통 어레이 입력/출력 광섬유(1334)에 결합시킨다.
공통 어레이 입력/출력 광섬유(1334)는 광을 편광 빔 스플리터(1330)에 안내하며, 이 편광 빔 스플리터(1330)는 수평 편광 광을 제2 포트(1336)로 반사시키고 수직 편광 광은 제3 포트(1340)에 보낸다. 제2 포트(1336)로부터의 반사된 수평 편광 광은 제2 수평 편광기(1338)를 통해 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)로 가고 어레이(716)를 통해 시계방향으로 전파한다. 시계방향으로 전파하는 광은 편광 소멸기(1352) 및 어레이 입력/출력 광섬유(714)를 거쳐 어레이(716)에서 나간다. 전술한 바와 같이, 편광 소멸기(1352)는 나가는 광이 어레이(716) 내 센서들을 통과한 후 수평 편광 모드 및 수직 편광 모드에서 실질적으로 동일하게 분포되게 한다. 이어서 시계방향으로 전파하는 광은 제2 수평 편광기(1350)를 통과하며, 이 제2 수평 편광기(1350)는 수직 편광 광 부분을 제거한다. 시계방향으로 전파하는 수평 편광 광은 편광 빔 스플리터(1330)의 제4 포트(1348)에 들어가서 제3 포트(1340)로 반사되어 공통 지연 광섬유(1342)에서 전파한다. 리턴된 시계방향의 광은 지연 루프(1344)를 통해 패러데이 회전 미러(1346)로 가서 수직으로 편광된 광으로서 반사된다. 수직 편광 광은 편광 빔 스플리터(1332)의 제3 포트(1340)로 리턴되고 제1 포트(1330)로 통과된다.
전술한 바와 같이, 편광 빔 스플리터(1332)의 제1 포트(1330)에 원래 들어왔던 광은 수평 편광 및 수직 편광으로 대략 45°방위에 있었다. 따라서, 광의 수직 편광된 성분에 대응하는 광의 대략 50%는 편광 빔 스플리터(1332)를 거쳐 제3 포트(1340)와 공통 지연 광섬유(1342)를 통과하였다. 수직 편광 광은 지연 루프(1344)를 통해 전파하여 패러데이 회전 미러(1346)에 의해서 수평 편광 광으로서 반사된다. 반사된 수평 편광 광은 지연 루프(1344)를 통과하여 편광 빔 스플리터(1332)의 제3 포트(1340)로 돌아간다. 광은 수평으로 편광되어 있기 때문에, 광은 편광 빔 스플리터(1332)의 제4 포트로 반사되고 이에 따라 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714), 제2 수평 편광기(1350), 편광 소멸기(1352)를 통해 어레이(716)로 전파하게 되어 어레이에선 반시계방향으로 전파한다. 편광 소멸기(1352)는 반시계 방향으로 전파하는 광이 모든 편광들 내 성분들을 갖게 하므로 반시계 방향으로 전파하는 광이 어레이(716)에서 나올 때, 적어도 수평 편광 광의 일부가 있을 것이다.
반시계 방향으로 전파하는 광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)를 통해 어레이(716)로부터 나오고, 광의 수평 편광된 성분은 다른 편광 방위들의 광을 제거하는 제1 수평 편광기(1338)를 통과한다. 광의 반시계 방향으로 전파하는 부분에 기인한 수평 편광 광은 편광 빔 스플리터(1332)의 제2 포트(1336)에 들어가며 광의 시계방향으로 전파하는 부분에 기인한 수직 편광광을 결합시키는 편광 빔 스플리터(1332)의 제1 포트(1330)로 반사된다.
결합된 광은 커플러(1316)의 제4 포트로 전파하여 상기 결합된 광의 대략 50%가 커플러(1316)의 제2 포트에 그리고 검출기 서브-시스템(1360)에 광섬유(1362)를 통해 결합된다. 1 x n 커플러(1364)는 광을 4부분으로 분할한다. 예를 들면, 도 30에서, N은 2이고, 광의 제1 부분은 편광기(1368)를 통해 제1 검출기(1370)로 전파하도록 편광 제어기(1366)에 결합되고, 광의 제2 부분은 편광기(1374)를 통해 제2 검출기(1376)로 전파하도록 편광 제어기(1372)에 결합된다. 편광 제어기들(1366, 1372) 및 편광기들(1368, 1374)의 방위들은 제1 검출기(1370) 및 제2 검출기(1376)에 들어가는 광학 신호들을 서로 다른 위상들로 바이어스하도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 한 신호가 최소 감도(sensitivity)를 가질 때, 다른 신호는 최대 감도를 갖고 아울러 그 반대의 경우도 될 수 있도록, 제2 검출기(1376)에 인가되는 신호는 제1 검출기(1370)에 인가되는 신호와 직교 상 태가 되도록 바이어스될 수 있다.
전술한 바와 같이, 두 신호 부분들 각각은 어레이(716), 공통 지연 광섬유(1342), 및 지연 루프(1344)를 통해 동일한 거리를 간다. 따라서, 어레이(716) 내 센서들에 미치는 어코스틱 신호들 혹은 이외 다른 잡음에 의해 야기되는 교란이 없을 때, 두 부분들은 동일한 위상에 있을 것이며 45°의 선형 편광을 갖는 결합된 광학신호를 발생하도록 구조적으로 간섭할 것이지만, 그러나, 광은 원래의 편광상태에 직교하는 편광 상태를 갖는다. 따라서, 원래의 편광 상태가 +45°이었다면, 출력 광의 편광 상태(위상 교란이 없을 때)는 -45°가 된다.
어코스틱 신호가 있을 때, 시계방향으로 전파하는 광 및 반시계 방향으로 전파하는 광은 상대적 위상 시프트 된다. 상대적 위상 시프트가 증가함에 따라, 두 간섭하는 빔들의 편광 상태는 -45°선형 편광에서 좌수(left-hand) 원형 편광으로, +45°편광으로, 우수(right-hand) 원형 편광으로 그리고 다시 -45°편광으로 변한다. 이들 4 상태의 평관을 통한 경과는 Poincare 구(sphere) 상에 원을 형성한다. 편광 빔 스플리터(1332)의 출력에서의 편광 상태는 원 상의 위치가 어코스틱으로 유발된 비상보적 위상 시프트의 함수인 Poincare 구 상의 이 원을 따른 일 점에 대응한다.
편광 빔 스플리터(1332)의 출력으로부터 공통 어레이 입력/출력 광섬유(1334), 커플러(1316) 및 검출기 서브-시스템(1360)을 거친 후에, 결합된 신호의 편광 상태는 광섬유(1334)의 미지의 복굴절에 의해 임의의 변경된다. 제1 검출기(1370) 앞의 편광기(1368)에 근접한 편광 제어기(1366) 및 제2 검출기(1376) 앞의 편광기(1374)에 근접한 편광 제어기(1372)는 각각의 검출기(1370, 1376)에 대해 각각의 선택된 편광으로 편광 상태들의 방위를 다시 잡는데 사용된다. 편광 제어기들(1366, 1372)은 예를 들면 어떠한 어코스틱 신호들도 어레이(716)에 인가되지 않을 때 셋되며, 이에 따라 역전파 광학 신호들엔 어떠한 상대적 위상 시프트도 도입되지 않는다.
예를 들면, 제1 검출기(1370)에 대해 ±90°의 바이어스 점을 제공하기 위해서, 편광 제어기(1376)는 편광 빔 스플리터(1332)의 출력에서의 결합 광이 좌수 원형 편광 상태일 때, 제1 검출기(1370)가 광의 최대 세기 혹은 최소 세기를 검출하도록 셋 된다. 출력 광의 다른 편광 상태들에 대해서, 제1 검출기(1370)는 최대 세기와 최소 세기 사이의 세기를 갖는 광을 검출한다.
다른 예로서, 제2 검출기(1376)는 예를 들면 0° 및 180°와 같은 서로 다른 바이어스 점으로 셋 될 수 있어 잇점이 있다. 이러한 바이어스 점에서, 편광 제어기(1372)는 편광 빔 스플리터의 출력에서의 광이 -45°의 편광 상태를 가질 때 제2 검출기(1376)가 광의 최대 세기 혹은 최소 세기를 검출하도록 셋 된다. 출력 광의 다른 편광 상태들에 대해서, 제2 검출기(1376)는 최대 세기와 최소 세기 사이의 세기를 갖는 광을 검출한다.
편광 빔 스플리터(1332)의 입력에 인가되는 광이 45°이외의 편광 상태를 가질 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 입력 광이 원래 좌수 원형 편광 상태를 갖고 있다면, 편광 제어기들(1366, 1372)은 이에 따라 제1 검출기(1370) 및 제2 검출기(1376)에 적합한 바이어스 점들을 제공하도록 셋 된다.
도 31은 폴딩 사냑 센서 어레이(1300')의 대안으로서의 구성을 예시한 것으로, 도 30의 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)와 실질적으로 유사하다. 도 31의 폴딩 사냑 센서 어레이(1300')에서, 편광 소멸기(1352)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)가 아닌 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 놓여진다. 센서 어레이(716)의 상보적 구조 때문에, 광섬유(720)에 편광 소멸기(1352)를 재배치해도 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)의 동작에 관하여 폴딩 사냑 센서 어레이(1300')의 전체 동작은 변경되지 않는다. 폴딩 사냑 센서 어레이(1300')은 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)의 동작과 유사하므로 여기선 상세히 설명하지 않겠다.
도 32는 도 30의 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)와 유사한 폴딩 사냑 센서 어레이(1400)의 다른 대안으로서의 실시예를 도시한 것으로 동일 요소들에 동일 참조부호를 사용하였다. 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)와는 달리, 폴딩 사냑 센서 어레이(1400)는 2x2 커플러(1316)를 편광 독립 광학 회전기(1410)로 대치한다. 광학 회전기는 2x2 커플러(1316)와 유사한 기능을 수행하는데, 그러나 폴딩 사냑 센서 어레이(1300)에선 입력 광이 커플러(1316)에서 분할될 때 입력 광의 대략 50%가 손실되고 커플러(1316)에서 분할될 땐 출력 광의 대략 50%가 손실된다. 실시예(1400)에서, 실질적으로 모든 입력광은 편광 SFS(1310)으로부터 회전기(1410)를 통해 편광 빔 스플리터(1332)로 거치게 되고 실질적으로 모든 출력 광은 편광 빔 스플리터(1332)에서 회전기(1410)를 통해 검출기 서브-시스템(1360)으로 거치게 된다.
도 33은 도 32의 폴딩 사냑 센서 어레이(1400)와 실질적으로 유사한 폴딩 사 냑 센서 어레이(1400')의 대안으로서의 구성을 도시한 것이다. 도 33의 폴딩 사냑 센서 어레이(1400')에서, 편광 소멸기(1352)는 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)가 아닌 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 놓여진다. 센서 어레이(716)의 상보적인 구조 때문에, 광섬유(720)에 편광 소멸기(1352)를 재배치해도 폴딩 사냑 센서 어레이(1400)의 동작에 관하여 폴딩 사냑 센서 어레이(1400')의 전체 동작은 변경되지 않는다. 따라서, 폴딩 사냑 센서 어레이(1400')의 동작은 여기서 상세히 설명하지 않겠다.
도 34는 본 발명에 따른 폴딩 사냑 센서 어레이(1600)의 다른 대안으로서의 실시예를 도시한 것으로, 도 30-33에 관련하여 전술한 바와 유사하게 어레이(716)에 결합되는 결합된 입력/출력 서브-시스템(1610)을 포함한다.
도 34에서, 편광원(1620)은 선형 편광 입력 광을 편광 유지 광섬유(1622)의 축을 따라 제공한다. 편광 유지 광섬유(1622)는 입력 출력 시스템(1610)의 수직 편광축에 관하여 편광 축이 45°방위에 있도록 회전된다. 광섬유(1622)로부터의 광은 제1 시준렌즈(1630)를 통해 입력/출력 서브-시스템(1610)에 결합된다. 제1 시준렌즈(630)는 제1 편광 빔 스플리터(PBS)(1632)의 제1 포트(1634)로 광을 보내며, 이 제1 편광 빔 스플리터(1632)는 또한 제2 포트(1636), 제3 포트(1638) 및 제4 포트(1640)를 구비하고 있다. 제2 포트(1636)는 입력 광의 일부를 제1 45°패러데이 회전자(45°FR)(1642)로 보낸다. 제3 포트(1638)는 입력광의 일부를 제2 45°패러데이 회전자(1644)에 보낸다. 후술하는 바와 같이, 제4 포트(1640)는 출력광의 선택된 부분을 검출 서브-시스템(1650)으로 보낸다.
제1 패러데이 회전자(1642)를 통과하는 광은 제2 시준렌즈(1660)에 의해 시준되고 어레이 입력/출력 광섬유(720)에 결합되고 이에 따라 어레이에서 시계방향으로 전파하도록 어레이의 센서부로 전파한다.
제2 패러데이 회전자(1644)를 통과하는 광은 반파(λ/2) 판(1662)을 통과한다. 반파 판(1662)은 제1 및 제2 복굴절 축들(도시생략)을 갖는다. 복굴절 축들 중 하나는 입력 광의 수직 편광축에 관해서는 22.5°각의 방위로 놓이고 소스로부터 나아가는 광의 45°편광에 관해서는 -22.5°각의 방위로 놓인다(즉, 축은 광의 수직과 편광 사이에 놓인다). 이러한 방위의 목적을 이하 기술한다. 반파 판(1662)을 통과하는 광은 제2 포트(1674), 제3 포트(1676) 및 제4 포트(1678)를 또한 포함하는 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제1 포트(1672)에 들어간다. 후술하는 바와 같이, 제2 포트(1674)는 추가의 요소들에 결합되지 않는다. 제3 포트(1676)로부터의 광은 제3 시준렌즈(1680) 쪽으로 지향된다. 제4 포트(1678)로부터 출력되는 광은 제4 시준렌즈(1682) 쪽으로 지향된다.
제4 시준렌즈(1682)를 통과하는 광은 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에 결합되고 편광 소멸기(1352)를 거쳐 어레이(716)의 센서 어레이를 통과하여 어레이에서 반시계 방향으로 전파한다.
제3 시준렌즈(1680)를 통과하는 광은 공통 지연 광섬유(1342)의 단부에 집점되고, 지연 루프(1344)를 통해 패러데이 회전 미러(1346)로 전파하여, 다시 지연 루프(1344)를 거쳐 다시 시준렌즈(1680)로 간다. 따라서, 반사된 광은 다시 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)에 보내진다.
전술한 바와 같이, 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제4 포트(1640)로부터의 광은 검출 서브-시스템(1650)에 들어간다. 검출 서브-시스템(1650)은 제1 빔 스플리터(1690), 제1 복굴절 요소(1694), 제2 복굴절 요소(1696), 제1 검출기(1698), 제2 검출기(1700), 제1 편광기(1702), 및 제2 편광기(1704)를 포함한다. 제4 포트(1640)로부터의 광의 제1 백분율이 제1 빔 스플리터(1690)에 의해 반사되어 제1 복굴절 요소(1694) 및 제1 편광기(1702)를 거쳐 제1 검출기(1698)로 간다. 제4 포트(1640)로부터의 광의 나머지 부분은 제1 빔 스플리터(1690)를 통과하여 제2 빔 슬리터(1692)로 들어가 광의 제2 백분율이 제2 빔 스플리터(1692)에 의해 반사되어 제2 복굴절 요소(1696) 및 제2 편광기(1704)를 거쳐 제2 검출기(1700)로 간다. 광의 나머지 부분은 제2 빔 스플리터(1692)를 거쳐 추가의 요소들(도시생략)로 간다. 단지 두 개의 검출기들만이 제공된다면, 결합의 제1 백분율은 50%인 것이 잇점이 있고, 제2 백분율은 양 검출기들(1698, 1700)이 대략 동일한 양의 광을 받도록 100%인 것이 잇점이 있다. 제3 검출기(도시생략)가 포함된다면, 제1 백분율은 약 33⅓%인 것이 잇점이 있고, 제2 백분율은 제2 검출기(1700)가 원래 광의 대략 33⅓%을 받도록 약 50%인 것이 잇점이 있다. 제3 검출기는 나머지 33⅓%를 받게 될 것이다.
도 34의 폴딩 사냑 센서 어레이(1600)는 다음과 같이 동작한다. 전술한 바와 같이, 제1 렌즈(1630)에 입사되는 광은 수직 및 수평 편광 축들에 대해 45°의 방위에 있다. 따라서, 렌즈(1630)를 통과하여 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제1 포트(1634)에 들어가는 광은 수평 상태 편광 성분과 수직 상태 편광 성분을 갖는 다. 수평 성분은 편광 빔 스플리터(1632)에 의해 제2 포트(1636)로 반사되고, 수직 성분은 편광 빔 스플리터(1632)를 거쳐 제3 포트(1638)로 가게 된다.
제2 포트(1636)로부터의 수평성분은 제1 패러데이 회전자(1642)를 통과하고, 편광 상태는 제1 방향(예를 들면, 시계방향)으로 45°만큼 회전되어 제1 패러데이 회전자(1642)로부터 나와 제2 렌즈(1660)에 입사되는 광은 45°로 선형 편광된 상태를 갖게 된다. 광은 제2 렌즈(1660)를 통과하여 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)로 들어가 어레이(716)를 통해 시계 방향으로 전파한다. 광은 어레이(716) 내에서 편광 변화에 접할 수도 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)를 통해 어레이(716)에서 나오는 광은 편광 소멸기(1352)를 통과하여, 광의 적어도 일부가 수평 및 수직 편광 상태들에 있을 수 있게 된다.
제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)로부터의 시계방향으로 전파하는 광은 제4 렌즈(1682)를 통해 입력/출력 서브-시스템(1610)에 들어가 제2 편광 빔 스플리터(1670)에 입사된다. 광의 수직 성분은 제2 편광 빔 스플리터(1670)를 통과하여 제2 포트(1674)로부터 출력되어 없어진다. 광의 수평 편광 성분은 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)로 반사되어 제3 렌즈(1680)을 거쳐 공통 지연 광섬유(1342)를 거침으로써 광이 지연 루프(1344)를 통해 전파하게 되고, 패러데이 회전 미러(1346)에 의해 수직 편광 상태로 반사되고, 다시 지연 루프(1344) 및 공통 지연 광섬유(1342)를 거쳐 제3 렌즈(1680)를 통과하게 된다. 수직 편광 상태로 반사된 광은 제3 포트(1676)에서 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제1 포트(1672)로 통과하고, 반파 판(1662)을 거쳐 제2 패러데이 회전자(1644)에서 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제3 포트(1638)로 통과한다. 반파 판(1662)은 반파 판(1662)의 복굴절 축들 중 하나가 수직 편광 축에 관하여 22.5°의 방위에 있어, 반파 판(1662)에 입사하는 수직 광은 복굴절 축에 관하여 미러(mirror) 관계로 되므로 반파 판(1662)로부터 나오는 광의 편광 상태는 수직 및 수평 축들에 관하여 45°의 방위에 있게 된다. 제2 패러데이 회전자(1644)는 편광상태를 더 45°만큼 회전시키므로 제2 패러데이 회전자(1644)로부터 나와 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제3 포트(1538)에 입사되는 광은 수평 편광 상태를 갖게 된다. 이에 따라, 제3 포트(1638)에 들어가는 광은 제4 포트(1640)로 반사되어 수평 편광 상태로 검출 서브-시스템(1650)에 들어간다.
위에 개시된 바와 같이, 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제1 포트(1634)에 입사하는 입력 광의 수직 성분은 제3 포트(1638)를 통과한다. 광의 편광 상태는 수직 및 수평 편광 축들에 관하여 45°상태의 편광으로 제2 패러데이 회전자(1644)에 의해 45°만큼 회전된다. 광의 편광 상태는 반파 판(1662)의 복굴절 축에 관하여 미러 관계에 있으므로 반파 판에서 나오는 광의 편광상태의 방위는 다시 수직 방향으로 있게 된다. 제2 패러데이 회전자(1644)의 비상보적인 작용으로, 좌에서 우로 제2 패러데이 회전자(1644)를 통과한 후 반파 판(1646)을 거쳐 제1로 통과하는 수직 편광 광은 45°의 편광상태로 회전한 후 수직 상태의 편광으로 다시 미러 관계에 놓여지게 된다는 것을 이 기술에 숙련된 자는 알 것이다. 반대로, 우에서 좌로 통과하는 수직 편광 광은 먼저 반파 판(1646)에 의해 45°의 편광 상태로 미러 관 계에 놓여지고 이어서 제2 패러데이 회전자(1644)에 의해 수평 상태의 편광으로 회전된다.
반파 판(1662)으로부터의 수직 편광 광은 제2 편광 빔 스플리터(1670)의 제1 포트(1672)에 들어가서 제3 포트(1676)에서 제3 렌즈(1680)로 통과한다. 수직 편광 광은 공통 지연 광섬유(1342)를 거쳐, 지연 루프(1344)를 통과하여 패러데이 회전 미러(1346)로 통과하고, 다시 지연 루프(1344) 및 공통 지연 광섬유(1342)를 통해 수평 편광 광으로서 반사된다. 수평 편광 광은 제3 렌즈(1680)를 거쳐 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)로 통과한다. 수평 편광 광은 제4 포트(1678)로 반사되고 제4 렌즈를 거쳐 1682과 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)로 해서 편광 소멸기(1352)를 통과하여 어레이(716)을 통해 반시계 방향으로 전파한다.
반시계 방향으로 전파하는 광은 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)을 통해 어레이(716)에서 나와 제2 렌즈(1660)를 통해 제1 패러데이 회전자(1642)로 통과한다. 제1 패러데이 회전자(1642)는 광의 편광 상태를 45°만큼 회전시킨다. 광은 편광 소멸기(1352)에 의해 효과적으로 편광이 소멸되기 때문에, 제1 패러데이 회전자(1642)를 거쳐 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제2 포트(1634)로 통과하는 광은 수평 편광 성분 수직 편광 성분을 갖는 광을 포함한다. 광의 수평 편광 성분은 제2 포트(1634)로 반사되어 제1 렌즈(1640)를 거쳐 입력 광섬유(1622)로 출력된다. 광을 흡수하기 위해 분리기(도시생략)가 포함되는 것이 잇점이 있다.
제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제2 포트(1636)에 들어가는 반시계 방향으로 전파하는 광의 수직 편광 성분들은 제3 포트(1640)로 가서, 시계방향으로 전파하는 광의 수평 편광 성분과 결합된다. 도 30에 관련하여 전술한 바와 같이, 역전파 광이 전혀 상대적 위상 시프트가 되지 않는다면, 광은 45°편광 상태의 선형 편광 광으로서 결합된다. 전술한 바와 같이 상대적 위상 시프트는 편광 상태가 변하게 한다.
복굴절 요소들(1694, 1696)은 두 서로 다른 편광들(예를 들면, 수평 편광 및 수직 편광, +45°편광 및 -45°편광, 혹은 좌수 원형 편광 및 우수 원형 편광)의 광에 대해 상대적 위상 시프트를 도입함으로써 검출기들(1698, 1900)에 입사되는 광을 선택적으로 바이어스하도록 포함된다. 복굴절 요소들은 선형 혹은 원형 웨이브렛들(예를 들면, 1/4파 판들, 반파 판들, 패러데이 회전자들 등)을 포함하는 것이 잇점이 있을 수 있다.
도 35는 도 34의 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1600)와 유사한 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1750)의 실시예를 도시한 것으로, 동일 요소들엔 도 34와 동일 참조부호를 사용하였다. 도 34의 실시예와는 달리, 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1750)는 편광 광원(1620) 대신 비편광 광원(1720)을 포함한다. 비편광 광원(1720)을 이용하기 위해서, 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1750)는 제1 시준렌즈(1630)와 제1 편광 빔 스플리터(1632) 사이에 45°편광기(1730)를 포함한다. 45°편광기(1730)는 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제1 포트(1634)에 입사되는 광이 45°의 방위에 있게 하고 이에 따라 수평 및 수직 편광들에 실질적으로 동일한 성분들을 갖게 한다. 따라서, 도 35의 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1750)는 도 34의 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1600)와 실질적으로 동일하게 동작하므로, 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1750)는 더욱 상세히 기술하지 않도록 하겠다.
도 36은 각각 도 35 및 도 35의 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1600, 1750)과 유사한 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1800)의 다른 실시예를 도시한 것으로, 동일 요소들에 도 34 및 도 35와 동일한 참조부호를 사용하였다. 도 34 및 도 35의 실시예들과는 달리, 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1800), 편광기들(1702, 1704)을 통과하는 광 신호들은 검출기들(1698, 1700)에 보내지지 않는다. 그보다는, 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1800)는 편광기(1702)에 가까이 위치한 시준렌즈(1810) 및 편광기(1704)에 가까이 위치한 시준렌즈(1812)를 포함한다. 시준렌즈(1810)는 편광기(1702)로부터의 광을 광섬유(1820)의 제1 단부(1822)로 지향시킨다. 광섬유(1820)는 시준렌즈(1810)에서 광섬유(1820)에 들어가는 광이 제1 검출기(1698)에 입사되게 제1 검출기(1698) 가까이에 제2 단부(1824)를 갖는다. 유사하게, 시준렌즈(1812)는 편광기(1702)로부터의 광을 광섬유(1830)의 제1 단부(1832)로 지향시킨다. 광섬유(1830)는 시준렌즈(1812)로부터 광섬유(1830)에 들어가는 광이 제2 검출기(1700)에 입사되게 제2 검출기(1700) 가까이에 제2 단부(1834)를 갖는다. 시준렌즈들(1810, 1812) 및 광섬유들(1820, 1830)을 포함함으로써, 광섬유들은 어떤 거리로 광을 검출기들(1698, 1700)에 보낼 수 있으므로 검출기들은 검출 전자장치(도시생략) 근처의 원거리의 위치들에 놓여질 수 있다.
도 34, 도 35, 도 36에서, 편광 소멸기(1352)는 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1600), 폴딩 사냑 어코스틱 센서 어레이(1750), 혹은 폴딩 사냑 어코스틱 센 서 어레이(1800)의 동작특성에 현저히 영향을 미치지 않으면서 제1 어레이 입력/출력 광섬유(714)에서 제2 어레이 입력/출력 광섬유(720)로 재배치될 수 있다.
도 17-36의 전술한 실시예들에서, 증폭 센서 어레이(716)는 두 개의 역전파 신호들을 수신하여, 신호들을 발생하고 교란들을 검출하는 각각의 프론트 엔드 시스템에 두 개의 교란된 역전파 신호들을 돌려보낸다. 전술한 실시예들에서, 센서 어레이(716)는 각각의 렁들(718(i))에 센서들(722(i))을 가진 래더 구조로서 도시되었다. 센서들(722(i))에 분배되고 이들로부터 수신되는 신호들을 증폭하기 위해 래더 구조 내엔 복수의 에르븀이 도핑된 광섬유 증폭기들(EDFA)(724)이 배치되었다.
도 37은 센서 어레이(716) 대신에 도 30-36에서 기술된 프론트 엔드 시스템들과 조합하여 사용하기 위한 16 센서 어레이(2000)의 실시예를 도시한 것이다. 특히 센서 어레이(2000)는 제1 입력/출력 광섬유(2002)와 제2 입력/출력 광섬유(2004) 사이에 개재된다. 제1 입력/출력 광섬유(2002)는 예를 들면 도 30-36에서 제1 입력/출력 광섬유(714)에 대응하며, 제2 입력/출력 광섬유(2004)는 도 30-36에서 제2 입력/출력 광섬유(720)에 대응한다. 따라서, 제1 입력/출력 광섬유(2002)를 통해 센서 어레이(2000)에 들어가는 광은 도 37에서 센서 어레이(2000)를 통해 우측에서 좌측으로 전파하여 제2 입력/출력 광섬유(2004)를 통해 나오고, 제2 입력/출력 광섬유(2004)를 통해 제2 어레이(2000)에 들어가는 광은 센서 어레이(2000)를 통해 좌측에서 우측으로 전파하여 제1 입력/출력 광섬유(2002)를 통해 나온다. 이에 따라, 도 37에서 우측에서 좌측으로 전파하는 광은 도 30-36에서 반시계 방향으로 전파하는 광에 대응하며, 도 37에서 좌측에서 우측으로 전파하는 광은 도 30-36에서 시계방향으로 전파하는 광에 대응한다.
센서 어레이(2000)는 각각이 g1의 이득을 갖는 증폭기들(2012(1), 2012(2))의 외층(2010)을 포함한다. 각각의 외층의 증폭기(2012(i)) 다음엔 각각의 스플리터(2014(1), 2012(2))가 온다.
센서 어레이(2000)는 각각의 이득 g2를 갖는 내층(202)의 증폭기들(2022(1), 2022(2), 2022(3), 2022(4), 2022(5), 2022(6), 2022(7), 2022(8))을 또한 포함한다. 각각의 내층의 증폭기(2022(i)) 다음엔 각각의 스플리터(2024(1), 2024(2), 2024(3), 2024(4), 2024(5), 2024(6), 2024(7), 2024(8))가 온다.
예시된 바람직한 실시예들에서, 각각의 스플리터들(2014(i), 2024(i))는 스플리터의 각 단부에 한 세트의 포트들을 가지고, 두 세트의 4개의 입력/출력 포트들을 구비한 4x4 스플리터인 것이 잇점이 있다. 일 단부의 입력/출력 포트들 중 하나를 통해 스플리터에 들어가는 광은 다른 단부의 4개의 입력/출력 포트들에서 실질적으로 동일한 몫들로 나온다. 도 37에서, 내층(202) 내의 각각의 스플리터(2024(i))는 제1 단부에 4개의 포트들과 제2 단에 하나의 포트를 구비하는 것으로 도시되었다. 제2 단부에 3개의 미사용된 포트들(도시생략)은 비반사로 종단되는 것을 알아야 한다. 따라서, 제2 단부의 단일 사용된 포트에 들어가는 광은 제1 단부의 4개의 포트들 간에 분할되어, 제1 단부의 4개의 단부들의 각각에 들어가는 광의 대략 1/4이 제2 단부의 단일 사용된 포트에 결합된다. 제1 단부의 포트 들의 각각으로부터 광의 나머지 3/4는 3개의 미사용된 포트들을 통해 상실된다. 이에 따라, 4x4 스플리터들(2024(i)) 각각은 일 방향으로 전파하는 광에 대해 1 대 4 스플리터로서 동작하며 반대 방향으로 전파하는 광에 대해선 4 대 1 결합기로서 동작한다.
도 37에 예시된 층 때문에, 각각의 층(2010, 2020)은 각각의 좌측부분(2010L, 2020L) 및 각각의 우측부분(2010R, 2020R)을 포함한다.
외측(2010)의 우측부분(2010R)은 스플리터(2014(1))가 뒤에 오는 증폭기(2012(1))를 포함한다. 외층(2010)의 좌측부분(2010L)은 스플리터(2014(2))가 뒤에 오는 증폭기(2012(2))를 포함한다.
내층(2020)의 우측부분(2020R)은 증폭기들(2022(1), 2022(2), 2022(3), 2022(4)) 및 스플리터들(2024(1), 2024(2), 2024(3), 2024(4))를 포함한다.
내층(2020)의 좌측부분(2020L)은 증폭기들(2022(5), 2022(6), 2022(7), 2022(8)) 및 스플리터들(2024(5), 2024(6), 2024(7), 2024(8))를 포함한다.
외층(2010) 및 내층(2020)은 복수의 센서들(2032(1)...2032(16))를 포함하는 센서층(2030)에 관하여 대칭이다. 센서들(2032(1)...2032(16))은 4그룹(2040(1)...2040(4))의 센서들로서 구성된다.
제1 그룹(2040(1)) 내 4개의 센서들(2032(1)...2032(4)) 각각은 스플리터(2024(1))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것과 스플리터(2024(5))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것 간에 접속된다.
제2 그룹(2040(2)) 내 4개의 센서들(2032(5)...2032(8)) 각각은 스플리터(2024(2))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것과 스플리터(2024(6))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것 간에 접속된다.
제3 그룹(2040(1)) 내 4개의 센서들(2032(9)...2032(12)) 각각은 스플리터(2024(3))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것과 스플리터(2024(7))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것 간에 접속된다.
제1 그룹(2040(4)) 내 4개의 센서들(2032(13)...2032(16)) 각각은 스플리터(2024(4))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것과 스플리터(2024(8))의 제1 단부의 4개의 입력/출력 포트들의 각각의 것 간에 접속된다.
각 그룹(2040(i))의 센서들(2032(i)) 내에, 3개의 센서들은 그룹에 결합된 두 개의 스플리터들(2024(i))의 입력/출력 포트들 간 경로 내에 개재된 지연 광섬유들(2042(i))을 포함한다. 지연 광섬유들(2042(i))은 센서들(2032(i))을 통과하는 시분할 다중화된(TDM) 펄스들의 적합한 타이밍을 제공하도록 선택된 적합한 길이들을 갖는다.
각 그룹 내 제1 센서(즉, 센서들(2032(1), 2032(5), 2032(9), 2032(13))은 각각의 두 개의 스플리터들 간 경로의 본연의 전파지연 외에 어떠한 추가의 지연도 없다.
각 그룹 내 제2 센서(즉, 센서들(2032(2), 2032(6), 2032(10), 2032(14))은 각각 τ/2의 지연을 갖는 제1 및 제2 지연 광섬유들(2042(1))에 의해 제공되는 추가 지연 τ을 갖는다.
각 그룹 내 제3 센서(즉, 센서들(2032(3), 2032(7), 2032(11), 2032(15))은 각각 τ의 지연을 갖는 제3 및 제4 지연 광섬유들(2042(2))에 의해 제공되는 추가 지연 2τ을 갖는다.
각 그룹 내 제4 센서(즉, 센서들(2032(4), 2032(8), 2032(12), 2032(16))은 각각 3τ/2의 지연을 갖는 제5 및 제6 지연 광섬유들(2042(3))에 의해 제공되는 추가 지연 3τ을 갖는다.
스플리터들(2024(1)...2024(8)) 각각의 제2 단부의 단일 사용된 입력/출력 포트는 증폭기들(2022(1)...2022(8)) 각각의 제1 입력/출력 단말에 결합된다. 예시된 실시예에서, 스플리터(2024(1))는 증폭기(2022(1))에 결합되며, 스플리터(2024(2)는 증폭기(2022)에 결합되며, 등등으로 결합된다.
증폭기들(2022(1)...2022(4)) 각각의 제2 입력/출력 포트는 스플리터(2014(1))의 4개의 입력/출력 포트들의 각각에 결합된다. 증폭기들(2022(5)...2022(8)) 각각의 제2 입력/출력 포트는 스플리터(2014(2))의 4개의 입력/출력 포트들의 각각에 결합된다.
증폭기들(2022(1), 2022(5))은 본연의 전파지연 이외에 경로 내에 개재되는 어떠한 추가 지연도 없이 스플리터들(2014(1), 2014(2))에 결합된다.
증폭기들(2022(2), 2022(6))은 각각이 추가 2τ의 지연을 제공하는 각각의 지연 광섬유들(2044(1))을 통해 스플리터들(2014(1), 2014(2))에 결합된다. 따라서, 제2 그룹(2040(2)) 내 모든 센서들에의 총 추가 지연은 4τ이다.
증폭기들(2022(3), 2022(7))은 각각이 추가 4τ의 지연을 제공하는 각각의 지연 광섬유들(2044(2))을 통해 스플리터들(2014(1), 2014(2))에 결합된다. 따라서, 제3 그룹(2040(3)) 내 모든 센서들에의 총 추가 지연은 8τ이다.
증폭기들(2022(4), 2022(8))은 각각이 추가 6τ의 지연을 제공하는 각각의 지연 광섬유들(2044(3))을 통해 스플리터들(2014(1), 2014(2))에 결합된다. 따라서, 제4 그룹(2040(4)) 내 모든 센서들에의 총 추가 지연은 12τ이다.
제1 센서(2032(1))를 통한 스플리터(2014(1))와 스플리터(2014(2) 간 총 추가 지연은 0τ임이 쉽게 결정될 수 있다. 나머지 센서들(2032(2)...3023(16))을 통한 스플리터(2014(1))와 스플리터(2014(2)) 간 총 추가 지연은 다음과 같다.
2023(2) τ
2032(3) 2τ
2023(4) 3τ
2032(5) 4τ
2023(6) 5τ
2032(7) 6τ
2023(8) 7τ
2032(9) 8τ
2023(10) 9τ
2032(11) 1Oτ
2023(12) 11τ
2032(13) 12τ
2023(14) 13τ
2032(15) 14τ
2023(16) 15τ
전술한 바와 같이, τ의 값은 각각의 센서(2032(i))를 전파한 후에 펄스들을시간적으로 적합하게 분리시키기에 충분하도록 선택된다. 예를 들면, 일 실시예에서, τ의 값은 50 나노초의 펄스들이 10나노초의 가드밴드만큼 분리되도록 60나노초인 것이 잇점이 있다.
도 37에 도시된 바와 같이, 외측의 4 x 4 스플리터들(2014(1), 2014(2))은 제1 단부에 4개의 입력/출력 포트들이 센서들(2032(1))을 향하여 있고 전술한 바와 같이 접속되게 구성된다. 제2 단부의 두 개의 입력/출력 포트들은 비반사로 종단되는데, 도 37엔 도시되어 있진 않다. 증폭기(2012(1))의 제1 입력/출력 포트는 스플리터(2014(1))의 제2 단부의 나머지 입력/출력 포트들 중 하나에 결합된다. 증폭기(2012(2))의 제1 입력/출력 포트는 스플리터(2014(2))의 제2 단부의 나머지 입력/출력 포트들 중 하나에 결합된다. 스플리터(2014(1))의 제2 단부의 제2 나머지 입력/출력 포트는 제1 펌프원(2050(1))에 결합된다. 스플리터(2014(2))의 제2 단부의 제2 나머지 입력/출력 포트는 제2 펌스원(2050(2))에 결합된다.
증폭기(2012(1))의 제2 입력/출력 포트는 제1 파장분할 다중화(WDM) 커플러(2060(1))의 제1 단부의 제1 입력/출력 포트를 통해 제1 입력/출력 광섬유(2002)에 결합된다. 제1 WDM 커플러(2060(1))의 제2 단부의 제2 입력/출력 포트는 제1 입력/출력 광섬유(2002)에 결합된다. 또한 제1 WDM 커플러(2060(1))의 제2 단부의 제3 입력/출력 포트는 제3 펌프원(2062(1))로부터 펌프 광을 수신하도록 결합된다.
제1 WDM 커플러(2060(1))는 신호 파장 λS(예를 들면, 1,560 나노미터)로 제1 입력/출력 포트에 들어가는 모든 광이 커플러를 거쳐 제2 입력/출력 포트로 가도록 구성된다. 유사하게, 제2 입력/출력 포트에 들어가는 신호 파장 λS의 광은 커플러를 거쳐 제1 입력/출력 포트로 간다.
실질적으로 어떠한 커플링도 신호 파장 λS에서 발생하지 않기 때문에, 제1 입력/출력 광섬유(2002)를 통해 어레이(2000)에 들어가는 실질적으로 모든 광은 제1 WDM 커플러(2060(1))를 통해 도 37에서 우측에서 좌측으로 통과하여 증폭기(2012(1))에 들어간다. 유사하게, 증폭기(2012(1))를 통해 좌측에서 우측으로 어레이(2000)에서 나가는 모든 광은 제1 WDM 커플러(2060(1))를 거쳐 제1 입력/출력 광섬유(2002)로 간다.
신호파장의 광과는 반대로, 펌프원(2062(1))으로부터 펌프 파장 λP(예를 들면, 1,480 나노미터)의 모든 펌프 광은 제1 WDM 커플러(2060(1))의 제3 입력/출력 포트에 들어가서 커플러의 제2 입력/출력 포트에 결합됨으로써 증폭기(2012(1))로 전파해 나간다.
유사하게, 증폭기(2012(2))의 제2 입력/출력 포트는 제2 파장분할 다중화(WDM) 커플러(2060(2))의 제1 단부의 제1 입력/출력 포트를 통해 제2 입력/출력 광섬유(2004)에 결합된다. 제2 WDM 커플러(2060(2))의 제2 단부의 제2 입력/출력 포트는 제2 입력/출력 광섬유(2004)에 결합된다. 제2 WDM 커플러(2060(2))의 제2 단부에 제3 입력/출력 포트는 제4 펌프원(2062(2))으로부터의 펌프 광을 수신하도록 결합된다.
제1 WDM 커플러(2060(1))에 대해 전술한 바와 같이, 실질적으로 신호 파장 λS의 모든 광은 결합되지 않고 제2 WDM 커플러(2060(2))를 통과하고, 실질적으로 펌프원(2062(2))으로부터의 모든 광은 제2 WDM 커플러(2060(2))의 제2 입력/출력 포트에 결합되고 증폭기(2012(2))로 전파해간다.
두 개의 WDM 커플러들(2060(1), 2060(2))과는 달리, 4 x 4 스플리터들(2014(1), 2014(2)) 및 스플리터들(2024(1)...2024(8))은 광대역 커플러들이다. 즉, 스플리터들은 1,480 나노미터 내지 1,560 나노미터 파장의 범위에 걸쳐 동일한 결합계수들을 갖는다. 이에 따라, 신호파장들 λS의 광 및 펌프 파장들 BP의 광은 실질적으로 동일하게 결합된다. 또한, 스플리터들은 결합계수들이 실질적으로 유사하게 하도록, 그리고 신호 파장 λS의 광과 펌프 파장 λP의 광이 각각의 스플리터의 4개의 출력들 간에 실질적으로 동등하게 분할되도록, 그리고 각각의 센서로부터의 신호 파장의 광이 실질적으로 동등하게 결합되도록 특징화되는 것이 바람직하다.
동작에서, 펌프원(2062(1))은 제1 WDM 커플러(2060(1))에 펌프 광을 제공한다. 펌프 광은 증폭기(2012(1))로 전파하여 여기서 흡수되므로 증폭기는 신호 파장으로 증폭기에 들어가는 광에 이득을 제공한다. 증폭기(2012(1))에 의해 흡수되지 않는 어떤 잔여 펌프 광은 스플리터(2014(1))를 통과하여 4개의 증폭기들(2022(1)...2022(4)) 간에 실질적으로 동등하게 분할된다. 또한, 펌프원(2050(1))으로부터의 광은 스플리터(2014(1))에 들어가서 4개의 증폭기들(2022(1)...2022(4))로 전파하도록 실질적으로 동등하게 분할된다. 펌프광은 4개의 증폭기들에서 흡수되므로 신호광에 대한 증폭을 제공한다.
마찬가지로, 펌프원(2062(2))으로부터의 광은 제2 WDM 커플러(2060(2))를 통해 증폭기(2012(2))에 결합되며, 어떤 잔여 펌프 광은 스플리터(2014(2))를 통해 4개의 증폭기들(2024(5)...2024(8)) 간에 분할된다. 또한, 펌프원(2050(2))으로부터의 펌프 광은 스플리터(2014(2))에 의해 분할되어 4개의 증폭기들(2024(1)...2024(4))에 제공된다.
대략 50 나노초의 기간을 갖는 신호 광 펄스는 제1 입력/출력 광섬유(2002)를 통해 어레이(2000)에 들어가서 증폭기(2012(1))에 의해 증폭된다. 증폭된 광 펄스는 스플리터(2014(1))에 의해 4개의 실질적으로 동일한 부분들로 분할된다. 제1 부분은 증폭기(2022(1))에 의해 증폭된 후에 제1 부분을 4개의 서브-부분들로 분할하는 스플리터(2024(1))을 통해 제1 센서 그룹(2040(1))에 들어간다. 제1 서브-부분은 센서(2032(1))를 통과한다. 제2 서브-부분은 센서(2032(2))를 통과한다. 제3 서브-부분은 센서(2032(3))를 통과한다. 제4 서브-부분은 센서(2032(4)) 를 통과한다.
제1 서브-부분은 전혀 더 지연되지 않는다. 제2 서브-부분은 두 개의 τ/2 지연 광섬유들(2042(1))에 의해 총 τ의 지연 동안 지연된다. 제3 서브-부분은 두 개의 τ 지연 광섬유들(2042(2))에 의해 총 2τ의 지연 동안 지연된다. 제4 서브-부분은 두 개의 3τ/2 지연 광섬유들(2042(3))에 의해 총 3τ의 지연 동안 지연된다.
제1 센서 그룹(2040(1)) 내 4개의 서브-부분들은 스플리터(2024(5))에 의해 재결합된다. 그러나, 센서들을 거치는 각각의 전파 시간들 및 지연들 때문에, 제1 서브-부분은 제2 서브-부분 전 대략 60 나노초에 스플리터에 도달한다. 제2 서브-부분은 제3 서브-부분 전 대략 60나노초에 도달한다. 제3 서브-부분은 제4 서브-부분 전 대략 60나노초에 도달한다. 따라서, 스플리터(2024(5))의 출력은 60나노초 간격들의 4개의 50나노초 펄스들을 포함한다.
스플리터(2024(50)로부터 출력된 펄스들은 증폭기(2022(5))에 의해 증폭된 후 스플리터(2014(2))로 전파해가고, 여기서 펄스들은 제2 센서 그룹(2040(2)), 제 3 센서 그룹(2040(3)) 및 제4 센서 그룹(2040(4))을 통과한 펄스들과 결합된다.
제2, 제3 및 제4 센서 그룹들 내에, 신호 펄스는 4개의 서브-부분들로 분할되고, 4개의 서브-부분들은 선택적으로 지연되며 이어서 제1 센서 그룹에 관하여 위에서 설명된 바와 같이 재결합된다. 또한, 제2 센서 그룹(2040(2))에 들어가는 광의 부분은 먼저 증폭기(2022(2))에 의해 증폭되기 전에 제1의 2τ 지연(2044(1))만큼 지연되고 스플리터(2024(2))에 의해 분할된다. 제2 센서 그룹(2040(2))에 의 해 출력된 신호 펄스들은 스플리터(2046(6))에 의해 재결합되고 증폭기(2022(6))에 의해 증폭된 후 스플리터(2014(2))에 도달하기 전에 제2의 2τ 지연(2044(1))만큼 지연된다. 두 개의 2τ 지연들(2044(1))에 의해 제공되는 별도의 4τ 지연 때문에, 제2 센서 그룹으로부터 스플리터(2014(2))에 도달하는 제1 신호 펄스는 제1 센서 그룹으로부터 제4 신호 펄스 후 60나노초에 도달한다.
마찬가지로, 제3 그룹으로부터 출력된 신호 펄스들은 두 지연들(2044(2))에 의해 추가로 8τ만큼 지연되므로 제3 센서 그룹으로부터의 제1 신호 펄스는 제2 센서 그룹으로부터의 제4 신호 펄스 후 60 나노초에 도달한다.
마찬가지로, 제4 센서 그룹으로부터 출력된 신호 펄스들은 두 지연들(2044(3))에 의해 추가로 12τ만큼 지연되므로 제4 센서 그룹으로부터의 제1 신호 펄스는 제3 센서 그룹으로부터의 제4 신호 펄스 후 60 나노초에 도달한다.
제4 센서 그룹들로부터의 신호 펄스들은 스플리터(2014(2))에서 결합된다. 이어서 신호 펄스들은 증폭기(2012(2))에 의해 증폭되어 제2 입력/출력 광섬유(2004)를 통해 어레이로부터 출력된다.
마찬가지로, 제2 입력 출력 광섬유(2004)를 통해 센서 어레이에 들어가서 어레이를 통해 좌측에서 우측으로 가는 50나노초 광 펄스는 먼저 증폭기(2012(2))에 의해 증폭되고 스플리터(2014(2))에 의해 4개의 펄스들로 분할된다. 4개의 펄스들은 우측에서 좌측으로 전파하는 신호에 대해 위에서 논한 바와 같이, 선택적으로 지연되고 더욱 분할되므로, 16개의 60나노초 간격들의 50 나노초의 펄스들이 스플리터(2014(1))에 도달한다. 16개의 펄스들은 스플리터(2014(1))에 의해 결합되고 제1 입력/출력 광섬유(2002)를 통해 어레이에서 나가기 전에 증폭기(2012(1))에 의해 증폭된다.
펄스 폭들 및 지연 시간들은 가변될 수 있음을 알 것이다. 또한, 추가의 스플리터들, 증폭기들 및 지연들은 어레이(2000) 내 센서들의 개수를 늘리기 위해 제공될 수 있다.
각각의 스플리터(2014(i), 2024(i)) 앞의 증폭기들(2012(i), 2022(i))은 각각의 커플러에서의 분할 손실을 보상한다. 도 37의 트리 구조의 텔리메트리는 사용되지 않은 펌프 파워를 앞쪽의 증폭기들에서 뒤쪽의 증폭기들로 보내는 잇점을 갖는다. 펌프 광이 예를 들면 1,480 나노미터의 펌프 파장 λP를 갖고 있고 신호가 예를 들면 1,550 나노미터의 신호파장 λS를 갖는 시스템에서, 분할 커플러들은 펌프 파장과 신호 파장에 걸쳐 유사한 결합 비들을 갖도록 2배의 대역 폭은 광대역이어야 한다. 이러한 커플러들은 예를 들면 메릴랜드, 밀러스빌, 벤필드 불루바드 1121의 Gould Fiber Optics로부터 구매가 가능하다. 도 37의 실시예는, 후단 증폭기들에 파워를 공급하기 위해 추가 펌프 파워가 필요하다면, 추가 펌프 파워가 4 x 4 스플리터들(2012) 중 한 스플리터의 미사용된 포트들 중 하나에 부가될 수 있는 잇점이 있다. 따라서, 단지 제1 단의 증폭기들(즉, 외층(2012)의 증폭기들(2012))만이 추가 WDM 커플러들을 필요로 한다.
전술한 바와 같이, 센서 텔리메트리는 펄스들이 겹치지 않게 센서 경로들 간 증가하는 차별적 지연들을 제공하도록 구성되어야 한다. 이 시분할 다중화(TDM) 방식은 도 37에 도시된 바와 같이 각각의 지연이 시간간격 T의 분수 혹은 배수인 지연 광섬유들(2042(i), 2044(i))을 배치함으로써 달성된다. 시간간격 T는 인터로게이션 윈도우이다. 각 펄스의 기간(즉, 펄스 폭)은 겹치지 않게 T보다 적게 선택된다. 규정된 지연들은 지연 코일, 및 가장 가까운 성분들을 연결하는 광섬유의 효과를 포함한다. 예를 들면, 8λ의 가장 긴 지연은 제1 분할 커플러(2014(1))부터 분할 커플러(2024(4))까지이다. 각 센서를 통하는 총 통과시간은 TDM 요건에 따라 이들 지연들에 의해 T만큼 증분함을 쉽게 알 수 있다.
앞에서 기술된 텔리메트들(즉, 어레이 구조들)과는 달리, 전술한 트리 구조 EDFA 텔리메트리는 매우 많은 소형의 파워 펌프 레이저들(소수의 대형 파워 펌프 레이저들 대신에)에 의해 펌핑되는 능력 때문에 잇점이 있다. 특히, 펌프 광은 하나 혹은 두 위치가 아닌 트리 구조 내 여러 레벨들에 도입될 수 있다.
도 38a 및 도 38b를 포함하는 도 38은 예를 들면 도 30-36에 관련하여 앞서 기술된 시스템과 유사한 편광 기반의 프론트 엔드(2120)을 사용하는 증폭 트리 구조 텔리메트리에 16개의 센서들(2110(i))을 포함하는 또 다른 센서 어레이(2100)을 도시한 것이다.
도 38a는 도 34에 도시된 프론트 엔드와 유사한 프론트 엔드(2120)를 도시한 것으로 동일 요소들에 동일 참조부호를 사용하였다. 도 34에 도시된 프론트 엔드와는 달리, 도 38a에 프론트 엔드(2120)는 편광 슈퍼플루오레슨트 소스(1620)의 출력과 시준기(1630) 사이에 위치하고 1,550 나노미터를 중심으로 하는 대략 10 나노미터 폭의 대역통과 간섭 필터(2130)를 포함한다. 필터(2130)는 패러데이 회전자 들(1642, 1644)의 파장 의존성의 어떠한 악영향이든 감소시키기 위해서 소스(1620)로부터의 광을 좁힌다. 추가로 한 쌍의 대역통과 간섭 필터들(2132, 2134)은 제1 편광 빔 스플리터(1632)의 제4 포트(1640), 빔스플리터(1634)와 제1 빔 스플리터(1690) 사이의 출력 경로에 위치하여 있다.
도 38b에서 증폭 어레이(2100)는 도 37에 도시된 증폭 트리 구조 설계와 유사하다. 타이밍은 펄스들 간에 10나노초의 가드밴드들을 50나노초 펄스들에 갖게 하였던 60나노초 윈도우들에 근거한다. 어레이 타이밍은, 센서들의 전체 타이밍이 올바르게 할뿐만 아니라 각 센서(2110(i))가 센서 텔리메트리에서 대칭으로 놓여지게 함으로써 각 센서에 위상 감도가 동일하게 될 수 있게 하기 위한 어레이(2100)의 구성 중에 측정된다.
제1 입력/출력 광섬유(2002), 제2 입력/출력 광섬유(2004), 제3 펌프원(2062(1)), 제4 펌프원(2062(2)), 제1 WDM 커플러(2060(1)), 제2 WDM 커플러(2060(2)), 이득 g1을 갖는 제1 증폭기(2012(1)), 및 이득 g1을 갖는 제2 증폭기(2012(2))는 도 37에 관련하에 앞서 기술된 바와 같이 동작하며, 참조부호는 이에 따라 사용되었다.
도 37의 어레이(2000)와는 달리, 도 38b의 어레이(2100)는 두 레벨의 4 x 4 광대역 스플리터들(2014(i), 2024(i)) 대신에 4 레벨의 2 x 2 광대역 커플러들(2140(i))을 이용한다. 어레이(2100)는 2 레벨의 증폭을 사용한다.
제1 입력/출력 광섬유(2002)를 통해 어레이(2100)에 입사되는 반시계 방향으 로 전파하는 신호 및 증폭기(2012(i))로부터의 어떤 잔여 펌프 광은 제1 2x2 커플러(2140(1))를 통과하며 이 커플러는 광을 두 개의 실질적으로 동일한 부분들, 제1 부분(도 38b에서 위쪽) 및 제2 부분(도 39b에서 아래쪽)으로 분할한다.
이어서 제1 부분은 제2 2x2 커플러(2140(2))의 제1 입력/출력 포트에 들어가며, 이 커플러는 광의 제1 부분을 2개의 실질적으로 동일한 부분들로서 제3 입력/출력 포트에 제3 (상측) 부분과 제4 입력/출력 포트에 제4 (하측) 부분으로 분할한다. 마찬가지로, 제2 부분은 제3 2x2 커플러(2140(3))의 제1 입력/출력 포트에 들어가며, 이 커플러는 광의 제2 부분을 2개의 실질적으로 동일한 부분들, 제3 입력/출력 포트에 제4 (상측) 부분과 제4 입력/출력 포트에 제6 (하측) 부분으로 분할한다.
제3, 제4, 제5 및 제6 부분들은 각각의 증폭기들(2150(1), 2150(2), 2150(3), 2150(4))에 들어가서, 펌프 광을 두 개의 실질적으로 동일한 부분들로 분할하는 2x2 커플러(2160(1))를 통해 제1 펌프원(2050(1))으로부터의 펌프 광에 의해 펌핑된다. 펌프 광의 제1 부분은 제2 커플러(2140(2))의 제2 입력/출력 포트에 제공되고, 펌프 광의 제2 부분은 제3 커플러(2140(3))의 제2 입력/출력 포트에 제공된다. 따라서, 펌프 광은 커플러들(2140(2), 2140(3))에 의해 더 나뉘어지므로 원래 펌프 광의 대략 1/4이 증폭기들(2150(1), 2150(2), 2150(3), 2150(4)) 각각에 제공된다.
증폭기(2150(1))로부터의 증폭된 신호 광은 제4 2x2 커플러(2140(4))에 입력으로서 제공된다. 증폭기(2150(2))로부터의 증폭된 신호 광은 제5 2x2 커플러(2140(5))에 입력으로서 제공된다. 증폭기(2150(3))로부터의 증폭된 신호 광은 제6 2x2 커플러(2140(6))에 입력으로서 제공된다. 증폭기(2150(4))로부터의 증폭된 신호 광은 제7 2x2 커플러(2140(7))에 입력으로서 제공된다.
각각의 커플러(2140(4), 2140(5), 2140(6), 2140(7))에 입사되는 광은 실질적으로 동등하게 두 부분들로 분할된다.
제4 커플러(2140(4))로부터의 광의 제1 부분은 제8 2x2 커플러(2140(8))을 통해 제1 센서(2110(1)) 및 제2 센서(2110(2))에 입력으로서 제공되고, 상기 커플러는 광의 제1 부분을 두 개의 실질적으로 동일한 부분들로 분할한다. 제4 커플러(2140(4))로부터의 광의 제2 부분은 제9 2x2 커플러(2140(9))을 통해 제3 센서(2110(3)) 및 제4 센서(2110(4))에 입력으로서 제공되고, 상기 커플러는 광의 제2 부분을 두 개의 실질적으로 동일한 부분들로 분할한다. 따라서, 센서들(2110(1), 2110(2), 2110(3), 2110(4)) 각각은 제1 커플러(2140(1))에 입사되는 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다.
유사하게, 제5 센서(2110(5)) 및 제6 센서(2110(6)) 각각은 제10 2x2 커플러(2140(1))을 통해 제5 커플러(2140(5))로부터 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다. 제7 센서(2110(7)) 및 제8 센서(2110(8)) 각각은 제11 2x2 커플러(2140(11))를 통해 제5 커플러(2140(5))로부터 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다.
제9 센서(2110(9)) 및 제10 센서(2110(10)) 각각은 제12 2x2 커플러(2140(12))를 통해 제6 커플러(2140(6))로부터 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다. 제11 센서(2110(11)) 및 제12 센서(2110(12)) 각각은 제13 2x2 커플러(2140(13))를 통해 제6 커플러(2140(6))로부터 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다.
제13 센서(2110(9)) 및 제14 센서(2110(10)) 각각은 제14 2x2 커플러(2140(14))를 통해 제7 커플러(2140(7))로부터 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다. 제15 센서(2110(9)) 및 제16 센서(2110(10)) 각각은 제15 2x2 커플러(2140(15))를 통해 제7 커플러(2140(7))로부터 원래 신호 광의 대략 1/16을 받는다.
각 레벨의 분할 및 증폭에서, 커플러들 및 증폭기들은 도면의 중간에서 도면의 아래쪽으로 번호를 할당하였으므로 낮은 번호의 커플러들 및 증폭기들은 낮은 번호의 센서들에 반시계 방향 전파 신호를 전파시킨다.
제2 입력/출력 광섬유(2004)를 통해 어레이(2100)에 입사되는 광은 반대방향(즉, 시계방향)으로 센서들(2110(1)...2100(16))에 제공되는 16개의 실질적으로 동일한 부분들로 복수의 커플러들(2140(16)...2140(40))에 의해 유사하게 분할된다. 제2 펌프원(2050(2))으로부터의 펌프 광은 커플러(2160(2))에 의해 실질적으로 동등하게 분할되며, 커플러들(2140(16), 2140(17))에 의해 더 분할되므로 펌프 광의 4개의 대략 동일한 부분들은 시계방향으로 전파하는 신호 광을 증폭하도록 동작하는 4개의 증폭기들(2150(5), 2150(6), 2150(7), 2150(8))에 입력들로서 제공된다. 커플러들 및 증폭기들은 도 38b의 중간에서 윗 부분으로 번호가 할당되므로 낮은 번호의 커플러들 및 증폭기들은 시계방향으로 전파하는 신호 광에 대해 낮은 번호의 센서들에 신호 광을 제공하는 것에 유의한다.
도 37에 관련하에 위에 기술된 시분할 다중화 특성을 제공하기 위해서, 도 38b의 실시예는 어레이(2100)에 복수의 지연 광섬유들을 포함한다. 예를 들면, 제1 지연 광섬유(2180(1))는 커플러(2140(8))와 제2 센서(2110(2)) 사이에 위치하고, 제2 지연 광섬유(2180(1))는 커플러(2140(23))와 제2 센서(2110(2)) 사이에 위치한다. 마찬가지로, 지연 광섬유들(2180(1))은 센서들(2110(2), 2110(4), 2110(6), 2110(8), 2110(10), 2110(12), 2110(14), 2110(16))과 각각의 커플러들 사이에 위치한다. 각각의 지연 광섬유(2180(1))는 30 나노초의 지연을 제공하기 위해 대략 6미터의 길이를 가지므로 각 쌍의 센서들의 제2 센서를 통해 전파하는 광은 이 쌍의 센서들의 제1 센서를 통해 전파하는 광으로부터 대략 60나노초만큼 분리된다.
제1 센서(2110(1)) 및 제2 센서(2110(2))를 통해 통과하는 신호들의 쌍들은 커플러(2140(4))에서 커플러(2140(9))까지의 경로 내 제1 지연 광섬유(2180(2))와 커플러(2140(19))에서 커플러(2140(24))까지의 경로 내 제2 지연 광섬유(2180(2))에 의해 제공되는 추가의 120 나노초 지연만큼, 제3 센서(2110(3)) 및 제4 센서(2110(4))를 통과하는 신호들의 쌍들로부터 분리된다. 지연 광섬유들(2180(2)) 각각은 대략 12미터의 길이를 갖는 광섬유에 의해 제공되는 대략 60 나노초의 지연을 갖는다.
마찬가지로, 제1 120나노초 지연 광섬유(2180(3))은 커플러(2140(5))와 커플러(2140(10) 간 경로에 개재되고, 제2 120나노초 지연 광섬유(2180(3))은 커플러(2140(20))와 커플러(2140(25)) 간 경로에 개재된다. 제1 180나노초 지연 광섬유(2180(4))은 커플러(2140(5))와 커플러(2140(11) 간 경로에 개재되고, 제2 180나노초 지연 광섬유(2180(4))은 커플러(2140(20))와 커플러(2140(26)) 간 경로에 개재된다.
나머지 8개의 센서들에 있어서, 제1 225나노초 지연 광섬유(2180(5))는 커플러(2140(1))와 커플러(2140(3)) 사이에 개재되고, 제2 225나노초 지연 광섬유(2180(5))는 커플러(2140(16))와 커플러(2140(18)) 사이에 개재된다.
제1 15나노초 지연 광섬유(2140(6))는 커플러(2140(6))와 커플러(2140(12)) 사이에 개재되고, 제2 15나노초 지연 광섬유(2140(6))는 커플러(2140(21))와 커플러(2140(27)) 사이에 개재되므로 센서들(2110(9), 2110(10))에 총 추가 지연은 480나노초가 된다. 지연 광섬유들(2180(5))의 지연을 240 나노초로 증가시키고 15나노초 지연 광섬유(2140(6))을 포함하지 않음으로써 동일한 지연이 제공될 수도 있을 것임을 알 것이다.
제1 75나노초 지연 광섬유(2180(7))는 커플러(2140(6))와 커플러(2140(13)) 사이에 개재되고, 제2 75나노초 지연 광섬유(2180(7))는 커플러(2140(21))와 커플러(2140(28)) 사이에 개재된다.
제1 135나노초 지연 광섬유(2180(8))는 커플러(2140(7))와 커플러(2140(14)) 사이에 개재되고, 제2 135나노초 지연 광섬유(2180(7))는 커플러(2140(22))와 커플러(2140(29)) 사이에 개재된다. 제1 195나노초 지연 광섬유(2180(9))는 커플러(2140(7))와 커플러(2140(15)) 사이에 개재되고, 제2 195나노초 지연 광섬유(2180(7))는 커플러(2140(22))와 커플러(2140(30)) 사이에 개재된다.
2x2 커플러들 각각은 각 센서 경로의 전송이 가능한 한 동일하게 되도록 어레이에 커플러들이 배열될 수 있도록 구성 전에 특징화되는 것이 잇점이 있다. 도 38b에서 10개의 증폭기들(2012(1), 2012(2), 2150(1)...2150(8))은 에르븀이 도핑된 광섬유 증폭기들(EDFA)인 것이 바람직하다. 도 38b에서, 증폭기들(2012(1), 2012(2))의 이득 g1 및 증폭기들(2150(1)...2150(8))의 이득 g2는 실질적으로 동일하다. 바람직한 실시예들에서, 각 증폭기 내 광섬유의 길이는 대략 8.2dB의 이득을 제공하기 위해 대략 1.45미터이다.
각각의 방향에서 제1 입력/출력 광섬유(2002)에서 제2 입력/출력 광섬유(2004)까지의 소정의 센서 경로에서 본 총 이득은 32.8dB(8.2dB x 4개의 증폭기들)이다. 이것은 총 분할 손실(커플러 당 3.1 dB x 8개 커플러들)과 이에 더하여 WDM 커플러의 삽입 손실 및 슬라이스들 광섬유 구부림에 기인한 과잉 손실을 개략적으로 보상한다. 도 39b에 따라 구성된 센서 어레이를 통한 전송은 1보다 몇 dB 더 큰 것으로 측정되었다. 증폭기들(2012(1), 2012(2), 2150(1)...2150(8))은 잇점이 있게 4개의 저 파워(예를 들면, 60mW)의 1,480nm 레이저들을 포함하는 펌프원들(2050(1), 2050(2), 2062(1), 2062(2))에 의해 펌핑된다. 전술한 바와 같이, 펌프원들(2062(1)), 2062(2))로부터의 펌프 광은 WDM 커플러들(2060(1), 2060(2))을 통해 어레이(2100)에 결합되어 제1 단 증폭기들(2012(1), 2012(2))을 펌핑한다. 제2 단 증폭기들(2150(1)...2150(8))은 펌프원들(2050(1), 2050(2))에 의해 더해진 파워와 함께 제1 단 증폭기들로부터의 미사용된 파워에 의해 펌핑된다. 펌프 파워는 증폭기들(2012(1), 2012(2), 2150(1)...2150(8)) 모두를 포화로 펌핑할만큼 충분히 크다(그리고 신호 파워는 충분히 낮다). 바람직하게, 펌프원들(2050(1), 2050(2), 2062(1), 2062(2))은 1방향 분리기들(2190)을 통해 어레이(2100)에 결합되므로 어레이(2100)로부터 되돌아오는 어떠한 광이든 펌프원들에 전파하지 않아 펌프원을 교란시키지 않는다.
센서들(2110(i))을 테스트하기 위해서, 광섬유가 감긴 추가의 PZT 트랜스듀서들을 각 센서(2110(i))와 직렬로 배치하여 하나 이상의 PZT 트랜스듀서들을 선택적으로 활성화시킴으로써 각 센서에 대해 어코스틱 신호의 효과가 시뮬레이트될 수 있도록 한다. (PZT 트랜스듀서들은 단지 테스트 목적을 위한 것으로 바람직한 실시예의 일부는 아니다. 그러므로 PZT 트랜스듀서들은 도면들에 도시하지 않았다). 도 39a 및 도 39b는 50나노초의 펄스 폭 및 각각 0.942 MHz(1.06-마이크로초 간격 ) 및 1.042 MHz(0.96-마이크로초 간격)의 반복 주파수들에 대해 검출기들(1698, 1700)(도 38a) 중 하나에서 측정된 리턴된 펄스 열(train)을 도시한 것이다. 어레이에 인가된 각각의 신호 펄스는 60 나노초 간격들로 되돌아오는 16개의 출력 펄스 열로 된다. 이에 따라, 낮은 반복 주파수(도 39a)에서, 센서 어레이로부터 되돌아오는 16펄스 열들 간엔 갭들이 있다. 모든 센서들로부터의 파워는 1.7dB 미만의 변동을 갖고 되돌아온다. 이들 파워 변동은 여러 커플러들 및 슬라이스들의 삽입 손실 차이들에 기인한다.
도 39b는 펄스 열들이 연속적으로 반복하는(즉, 한 펄스 열의 16번째 펄스가 다음 펄스 열의 첫 번째 펄스의 대략 60나노초 전에 발생한다) 최적 동작 상태를 도시한 것이다. 펄스 타이밍은 모든 센서 경로들에 대해 1나노초(20센티미터) 내에서 정정되도록 검증되었다.
실제로, 역다중화는 디지털 처리에 의한 검출 후에 달성된다. 실험에 의한 실시예에서는 리튬 니오브산염 진폭 변조기(2192)를 입력/출력 광섬유들(예를 들면, 도 38a에서 제2 입력/출력 광섬유(2004)) 중 하나에 접속하여, 역다중화될 신호에 대응하는 단일 펄스를 통과시키는데 사용한다. 리튬 니오브산염 진폭 변조기(2192)는 완전한 스위칭을 제공하므로 포토다이오드들 다음에 사용되는 전자 스위치들에 연관된 큰 잡음을 제거한다.
어레이의 편광 감도를 측정하기 위해서, 제5 센서에 대해 각각의 직렬 접속된 PZT 트랜스듀서를 활성화시킴으로써 제5 센서(2110(5))엔 큰 위상 변조가 도입되었다. 제5 센서로부터의 신호를 역다중화하고 이의 검출된 파워는 디지털 스코프로 모니터되었다. π보다 큰 피크 대 피크 위상 변조가 신호에 도입되었을 때, 디지털 스코프로 얻어진 최대 및 최소 전압을 기록함으로써 센서의 가시도가 측정될 수 있다. 이러한 트레이스를 도 40a에 도시하였으며 0.9의 측정된 가시도가 나왔다. 전술한 바와 같이, 편광 기반의 프론트 엔드 설계의 현저한 잇점은 편광으로 도입되는 신호 페이딩이 순순히 제거되고, 가시도가 루프 복굴절에 관계없이 각 센서에 이상적으로 1로 된다는 것이다.
이러한 예상을 테스트하기 위해서, 제5 센서의 가시도는 입력/출력 광섬유들(예를 들면, 도 38a에서 제1 입력/출력 광섬유(2002)) 중 하나에 배치된 공통 편광 제어기(2194)의 8 랜덤 설정들에 대해 측정되었다. 측정 결과를 도 40b에 도시하였으며, 예상된 편광 독립성을 시사하고 있다. 가시도는 주로 검출기에 분배된 증폭기 ASE 파워가 있음으로 인해서 1에 못미친다.
광대역 ASE원을 사용한 사냑 기반의 어레이에서 잡음제거의 영향 및 중요성을 예시하기 위해서, 어코스틱 신호를 시뮬레이트하기 위해, 각각의 광섬유로 감은 PZT를 사용한 센서들 중 하나에 4kHz의 위상 변조가 행해졌으며 도 38a에서 소스(1620)에서 시준기(1630)로 신호경로에 리튬 니오브산염(LiNbO3) 변조기(2196)를 사용한 소스(1620)로부터 광학 신호에 3.6 kHz의 진폭 변조가 행해졌다. 검출된 응답은 단지 하나의 검출기를 사용한 단일 검출 구성과, 소스 진폭 잡음을 제거하기 위해 두 개의 검출기들(1698, 1700)로부터의 DC 전류들이 감해지도록 이들 검출기들의 출력들을 연결한 밸런스 검출 구성으로 측정된다. 도 41은 측정 결과를 도시한 것이다. 단일 검출 구성에 있어서, 3.6 kHz의 진폭 변조는 명백히 보여진 반면 4kHz의 위상 변조는 광대역 소스 진폭 잡음(ASE-ASE 비트 잡음) 하에선 볼 수 없다. 밸런스 검출 구성에서, 진폭 변조는 50dB 이상만큼 감해졌다. 위상 변조 톤은 감소된 광대역 잡음(ASE-ASE 비트 잡음 제거) 및 증가된 위상 변조 신호에 기인하여 쉽게 보여질 수 있게 된다. 예시된 바와 같이, 밸런스 검출 구성은 큰 정도의 잡음 제거를 달성한다.
분산된 광학 증폭기들을 구비한 사냑 기반의 어레이의 광학 잡음 플로어(floor)는 수신기의 광학 파워의 함수이다. 밸런스 검출 수신기에 대한 잡 음 NS bd는 다음 식으로서 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00015
여기서 B는 검출 대역폭이고, s, aCW, aCCW는 소스, 시계방향으로 분산된 증폭기, 및 반시계 방향으로 분산된 증폭기 ASE 광자 플럭스(#/s)이고, a=aCW + aCCW이다. 식(19)에서, Δva는 분산 증폭기들에서 자발 방출에 의해 야기된 검출기들에 도달하는 분산 증폭기 광자들의 대역폭이고 다음 식(20)으로 정의된다.
Figure 112004005422988-pct00016
여기서 P(va)dva는 va에서 va+dva의 주파수 대역에서의 광학 파워이다.
도 19에서, Δvsa는 다음 식(21)에 의해 정의된다.
Figure 112004005422988-pct00017
여기서 Δvs는 검출기에 도달하는 소스 광자들의 대역폭이고 Δvs+a는 Δva는 va를 va 및 vs+a로 대치함으로써 식(20)에 따라 정의된 수신기에 도달한 소스 광자와 분산 증폭기 광자가 결합한 것이다.
식(19)의 잡음 표현식은 단위 대역폭 당 광자 카운트 변동으로서 주어진다. 식(19)은 검출기 전류 잡음, <ΔI2>에 대해 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure 112004005422988-pct00018
여기서 B는 검출 대역폭이다.
식(22)은 16센서 어레이(2100)의 광학 잡음을 측정함으로써 실험적으로 확립된다. 과잉 잡음 팩터 F는 먼저, 검출된 잡음 대 숏 잡음 한계의 비로서 정의되며 다음 식(23)에 의해 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00019
검출기 전류들(Is, Iacw, Iaccw)을 이들의 광학 스펙트럼들(Δvsa 및 Δva를 얻기 위해서)과 함께 측정함으로써, 예상 과잉 잡음 팩터가 계산되어 측정된 잡음과 비교될 수 있다. 분산 증폭기 전류들 및 스펙트럼들(Iacw, Iaccw, Δva)을 측정하기 위해서, 소스를 턴 오프 시키고 단순히 출력이 측정된다. 분산 증폭기 파워는 스위치 오프 될 수 없기 때문에, 소스 전류/스펙트럼은 총 출력 전류/스펙트럼을 축정하여 분산 증폭기 전류/스펙트럼을 감함으로써 발견된다. 이것은 분산 증폭기가 포화 펌핑되고 이들의 ASE 출력이 어레이 내 소 소스 파워의 존재에 의해 영향을 받지 않기 때문에(실험적으로 검증되었음) 행해질 수 있다.
이들 출력전류들 및 스펙트럼들의 측정으로, 예상 과잉 잡음 팩터가 식(23) 을 통해 계산될 수 있다. 잡음 팩터를 측정하기 위해서, DC 수신기 전류들과 함께 출력 잡음이 직접 측정된다. 그러면 DC 전류들로부터 숏 잡음 레벨이 계산되고, 측정된 잡음과 숏 잡음과의 비를 취함으로써 과임 잡음 팩터가 발견된다. 그러면 예상 및 측정된 과잉 잡음 팩터들이 비교될 수 있다.
실험 셋업에서, 수신기에서 일련의 DC 소스 전류들에 대해 측정들이 행해진다. 이들 전류들은 LiNbO3 변조기(2196)의 DC 바이어스로 소스 파워를 조정함으로써 제어된다. 각각의 DC 소스 전류에 대해서, 4, 8, 12, 16의 센서 수들에 대해 측정들이 취해진다. 센서 수들은 1, 2, 혹은 3개의 4-센서 서브-어레이들을 어드레싱하는 광섬유들에 큰 휨(bend) 손실들을 도입함으로써 이들 서브-어레이들을 어둡게(darkening)함으로써 제어되었다. 센서 수가 변경될 때, 출력에서 연속한 펄스 열을 유지하기 위해 펄스 반복 주파수를 조정한다. 이 때문에, 검출기에서 평균 소스 파워는 소정 세트의 측정들 내에서 센서 수마다 동일하며, 유일한 변화는 분산 증폭기 ASE의 양이다. 그러므로, 센서 수의 함수로서 측정들을 취함으로써, ASE 파워의 함수로서의 잡음 경향이 발견되어 식(23)의 예상들과 비교될 수 있다.
3개의 DC 소스 수신기 전류들에 대한 전술한 측정들의 결과들을 도 42a, 도 42b, 도 42c에 도시하였다. 가장 낮은 DC 소스 전류(1.4㎂)에 대해 도 42a에 도시된 바와 같이, 예상 잡음과 측정된 잡음 간 일치가 우수하다. 보다 큰 소스 파워들, 따라서 보다 큰 DC 소스 수신기 전류들(도 42b에선 4.05㎂ 및 도 42c에선 9.89㎂)에 대해서, 측정된 잡음은 소스 전류가 증가됨에 따라 예상 잡음 위로 증가한 다. 이것은 적어도 부분적으로 어레이에 어코스틱 실내 잡음이 취해진 것에 기인하는 것으로 사냑 어코스틱 센서 설계들의 테스트에선 영속적인 문제이다. 소스 파워가 증가됨에 따라, 어레이의 감도가 증가하고, 센서 어레이 및 타이밍 코일들을 구성하는 광섬유에 취해진 실내 잡음은 무시할 수 있게 된다. 이 잡음이 실험실에서 광학 잡음 플로어의 측정들을 어렵게 할지라도, 이러한 어코스틱 픽업은 실제 응용에선 측정하고자 할 신호이기 때문에 실제로는 잡음의 성가신 원인은 아니다.
마하젠더 기반의 어레이들에서, 센서 응답은 하이드로폰(hydrophone) 주위에 감은 광섬유의 길이와 정규화한 하이드로폰 응답도에 의해 결정되며, 이들 양자는 일단 센서가 구성되면 변경될 수 없다. 전술한 사냑 센서 어레이들에서, 응답은 이들 동일 파라미터들에 의해 부분적으로 결정되며 모든 센서들이 서로 공유하는 지연 루프의 길이에 의해 부분적으로 또한 결정된다. 이러한 지연 루프는 액세스 가능한 곳인, 센서들로부터 떨어져 원격지에 위치할 수 있기 때문에, 지연 루프의 길이를 변경하는 것이 가능하다. 단일 파라미터, 즉 지연 루프 길이를 변경함으로써 모든 센서들의 응답에 영향을 미치는 이러한 능력이 어레이의 동적범위(dynamic range) 성능에 이로울 수도 있을 것이라는 것은 사냑 기반 어레이들의 개발 초기에 알게 되었다. 예를 들면, 도 7, 도 19, 및 도 21은 센서 어레이의 동적범위를 확장하기 위해 서로 다른 길이들의 지연루프들을 갖는 실시예들을 도시한 것이다.
지연 루프 길이를 변경함으로써 응답이 어떻게 조율될 수 있는가를 예시하기 위해서, 50마이크로초의 유효 지연 코일 시간(예를 들면, 언폴딩 구성에선 대략 10 마이크로초의 지연 루프 길이 혹은 폴딩 구성에서 대략 5킬로미터의 지연 루프 길이), -135dB rad/μPa)의 하이드로폰 응답도 R, 및 1μrad/√Hz의 평탄한 광학 잡음 플로어를 가진 사냑 어레이를 고찰한다. 최소 검출가능한 어코스틱 신호 amin(f)은 다음 식(24)으로서 표현될 수 있다.
Figure 112004005422988-pct00020
φ는 단위 대역폭 당 위상 잡음이고, T는 적분 시간이고, R은 하이드로폰 응답도 rad/μPa이고, f는 주파수이고, Td는 지연 코일 시간이다. 전술한 수치들을 사용하여, 1초 적분시간 내 최소 검출가능한 어코스틱 신호를 도 43a에 도시하였다. 또한 도 43a에는 위상 신호를 생성하는 것으로서 정의되는 최대 검출가능한 신호가 도시되었다. (이것은 상한의 근사치일 뿐이지만 두 구성들의 상대적 성능을 비교하는 방법으로서 사용된다).
도 43b에는, 지연 루프를 통한 지연 시간이 50마이크로초에서 0.5마이크로초로 감소된 것을 제외하고 동일 파라미터들을 가진 어레이에 대해 같은 곡선들이 도시되었다. 보다 짧은 지연시간은 검출 범위를 위로 이동시켜 검출 범위를 잡음이 있는 환경에 보다 적합하게 만든다. 반대로, 보다 긴 지연시간은 보다 조용한 환경에 더 적합하다.
도 43a 및 도 43b의 결합된 동적범위를 얻기 위해서, 어레이는 짧은 지연 루프 및 긴 지연 루프 양자를 갖도록 구성되어야 할 것이다. 모든 센서들 및 지연 코일들로부터 되돌아오는 펄스들이 분리될 수 있게(시간적으로 혹은 파장이) 설계 된, 두 지연 코일들을 포함하는 어레이가, 도 7, 도 19, 도 21에서 앞에서 도시된 바와 같이, 쉽게 구성될 수 있다. 예시된 구성들에서, 각각의 센서는 두 개의 신호들을 되돌려보내며, 그 각각은 도 43a 및 도 43b의 것들에 대응하는 검출 범위들을 갖는다. 조용한 환경에서는 긴 지연 루프로부터의 신호가 사용될 것이다. 긴 지연 루프로부터의 응답을 포화시키는 큰 어코스틱 신호가 있을 때는 짧은 지연 루프로부터의 출력이 사용될 것이다. 이와 같은 지연 코일 스위칭에 의해서 어레이는 어코스틱 신호의 크기가 시간에 따라 극적으로 변하는 환경들에서 기능할 수 있게 될 것이다. 그러나, 사냑 기반 어레이에서 복수 지연 루프들의 가장 유용한 구현은 이들 간에 스위칭하는 대신 각 지연 루프로부터의 신호들을 결합하는 것이다. 각 지연 루프로부터의 신호들의 검출 범위들을 합침으로써 주어지는 실 검출범위를 갖는 단일 출력 신호를 생성하도록 신호들을 결합함으로써, 어레이는 한 주파수 범위에서 긴 지연 루프로 잡음 플로어 이하를 검출할 수 있을 것이며 아울러 또 다른 주파수 범위 내 극히 큰 어코스틱 신호(긴 지연 루프를 포화시키는)를 처리할 수 있을 것이다. 이를 행하기 위해서, 각 지연 루프로부터 소정의 센서로부터의 각각의 출력 신호를 입력들로서 수신하고 짧은 지연 루프로부터의 출력 신호의 검출범위와 긴 지연 루프로부터의 출력신호의 검출범위를 합한 검출범위를 갖는 신호를 돌려보내는 알고리즘이 사용된다.
짧은 지연 루프로부터의 신호가 긴 지연 루프로부터의 신호와 같지만 스케일 팩터가 감소된 것이면, 이러한 알고리즘을 수월할 것이다. 그러나, 두 신호들은 서로 상이한 주파수 응답들을 갖고 있고 서로 다른 시간들에서 어코스틱 신호를 샘 플링하기 때문에, 두 신호들은 자명한 상관이 거의 없다. 이를 예시하기 위해서, 도 44a에 도시된 시간에 따라 하이드로폰 위상이 변하는 어코스틱 신호를 고찰한다. 도 44b 및 도 44c는 긴 지연루프(도 44b) 및 짧은 지연 루프(도 44c)를 거치는 신호에 대해 도 44a의 위상 신호에 기인하여 야기된 위상 차를 도시한 것이다. 상관은 자명하지 않으며, 이들 두 신호들이 어떻게 결합하여 단일 신호를 만들어내는지 명백하지 않다.
도 45a 및 도 45b는 단일 지연 루프로 가능한 것보다 극적으로 증가된 동적범위를 갖게 위상신호를 재구성하기 위해 두 개의 지연 루프들로부터의 신호들을 결합하는 선형 외삽 알고리즘으로 동작하는 어코스틱 센서 어레이(2200)를 도시한 것이다. 도 45a 및 도 45b는 도 38a 및 도 38b에 대응하나, 도 45a에서 시스템의 프론트 엔드부는 제1 파장 λ1의 제1 열의 광학 신호 펄스들을 출력하는 제1 신호원(2210)을 포함하고 제2 파장 λ2의 제2 열의 광학 신호 펄스들을 출력하는 제2 신호원(2212)을 포함한다. 예를 들면, 제1 파장 λ1은 대략 1,520 나노미터인 것이 잇점이 있고, 제2 파장 λ2은 대략 1,550 나노미터인 것이 잇점이 있다. 두 신호원들(2210, 2212)의 출력들은 두 열의 신호펄스들을 포함하는 단일 신호 스트림이 시준기(1630)에 인가되도록 파장분할 다중화(WDM) 커플러(2214)를 통해 결합된다.
도 45a 및 도 45b의 시스템은 도 38a에 단일 검출 서브-시스템(1650)을 대치하기 위해 제1 검출 서브-시스템(2220) 및 제2 검출 서브-시스템(2222)을 또한 포 함한다. 예를 들면, 두 검출 서브-시스템들(2220, 2222)은 시준기(2224), 광섬유(2226), 및 제1 파장 λ1의 광학 신호와 제2 파장 λ2의 광학 신호를 제1 광섬유(2232) 및 제2 광섬유(2234)에 각각 결합시키는 WDM 커플러(2230)를 통해 빔 스플리터(1632)의 출력에 결합되는 것이 잇점이 있다. 제1 광섬유(2232)는 제1 파장 λ1의 광을 시준기(2236)를 통해 제1 검출 서브-시스템(2220)에 전파시킨다. 제2 광섬유(2234)는 제2 파장 λ2의 광을 시준기(2238)를 통해 제2 검출 서브-시스템(2222)에 전파시킨다.
도 45a 및 도 45b의 시스템은 도 38a의 단일 지연 루프(1344) 대신에 시준기(1680)에서 패러데이 회전 미러(FRM)(1346)까지의 지연 경로에 두 개의 지연 루프들(2240, 2242)를 포함하는 점에 다르다. 특히, 제1 지연 루프(2240)은 대략 100 마이크로초의 지연을 제공하며, 제2 지연 루프(2242)는 대략 100 나노초의 지연을 제공하는 짧은 지연 루프이다. 도시된 바와 같이, 두 지연 루프들(2240, 2242)는 병렬로 되어 있고 제1 WDM 커플러(2244) 및 제2 WDM 커플러(2246)을 통해 공통 지연 광섬유(1342)에 결합된다. 따라서, 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)로부터의 광은 시준기(1680)를 통과하여 제1 WDM 커플러(2244)에 들어간다. 제1 WDM 커플러(2244)는 제1 파장 λ1의 제1 신호원에서 제1 지연 루프(2240)로 광을 보내고 제2 파장 λ2의 제2 신호원(2212)으로부터의 광을 제2 지연루프(2242)에 보낸다. 두 부분들은 제2 WDM 커플러(2246)에서 재결합되며, 결 합된 부분들은 패러데이 회전 미러(1346)에 입사된다. 반사된 신호 부분들은 파장 λ1의의 부분이 다시 제1 (긴) 지연루프(2240)를 통과하고 파장 λ2의 부분이 제2 (짧은) 지연루프(2242)를 통과하도록 제2 WDM 커플러(2246)에서 다시 분할된다. 이에 따라, 편광 빔 스플리터(1670)의 제3 포트(1676)에 입사되는 광은 제2 파장 λ2의 제2 펄스보다 긴 지연만큼 지연된 제1 파장 λ1의 제1 펄스를 갖는다. 두 WDM 커플러들(2244, 2246)은 두 개의 분리된 지연 코일들(2240, 2242)에 광을 보내는 상당히 넓은 통과대역들을 갖는다. 따라서, 예를 들면, 제1 파장 λ1을 포함하는 1,525 나노미터 내지 1,535 나노미터의 광은 긴 지연루프(2240)에 보내지고 제2 파장 λ2을 포함하는 1,545 나노미터 내지 1,555 나노미터의 광은 짧은 지연루프(2242)에 보내진다.
전술한 바로부터, 제1 검출 서브-시스템(2220)에 의해 수신된 신호들은 제1 (긴) 지연루프(2240)을 통한 지연에 의해 결정된 제1 어코스틱 동적범위를 제공하고, 제2 검출 서브-시스템(2222)에 의해 수신된 신호들은 제2 (짧은) 지연루프(2242)를 통한 지연에 의해 결정된 제2 어코스틱 동적범위를 제공한다. 도 45a 및 도 45b의 시스템의 이외 모든 성분들은 사용되는 모든 파장들에 대해 충분히 동일하게 작용하도록 광대역인 것으로 가정한다.
소정의 센서 내 하이드로폰에서의 위상 변조 φ(t)는 어코스틱 신호 진폭에 정비례한다. 사냑 기반 TDM 어레이서, 각각의 센서는 반복기간 τ로 샘플되고, 복 귀된 신호는 위상 차 φ(t)-φ(t-Td)이며, Td는 코일 지연이다. 따라서, 전술한 바와 같이 단일 지연 코일 센서에 있어서, 소정의 센서의 이산 샘플링은 다음 식(25)로 주어지는 샘플들 Si을 제공한다.
Figure 112004005422988-pct00021
이 식으로부터 위상차는 다음 식(26)을 통해 찾아진다.
Figure 112004005422988-pct00022
여기서 Si는 어레이에 의해 측정된 것이고 ni는 현재의 샘플과 이전의 샘플을 입력으로서 취하는 프린지 카운트 알고리즘 F를 통해 계산되는 프린지 카운트이다.
Figure 112004005422988-pct00023
단일 지연 코일을 구비한 마하-젠더 및 사냑 어레이들을 위한 표준 프린지 카운트 알고리즘 F는 다음 식(28)에 의해 주어지며, 샘플들 간 위상차에 최소화하는 것에 근거한다.
Figure 112004005422988-pct00024
이것은 센서의 동적범위를 프린지 카운팅을 사용하지 않는 센서의 동적범위를 이상으로 크게 확장시킨다. 도 45a 및 도 45b의 실시예는 동적범위를 식(28)의 표준 프린지 카운트 알고리즘의 능력 이상으로 확장시키기 위해서 사냑 기반 TDM 어레이 내 추가된 짧은 지연 루프(2242)로부터의 정보를 사용하는 향상된 알고리즘을 사용할 수 있게 한다.
전술한 바와 같이, 도 45a 및 도 45b에서 사냑 기반 어레이는 복수의 지연 코일들(2240, 2242)를 사용한다. 광대역 WDM 커플러들(2244, 2246)은 상당히 넓은 통과대역들을 개개의 지연루프들(2240, 2242)에 보낸다. 이에 따라, 본 실시예에서, 예를 들면, 1,525 나노미터 내지 1,535 나노미터 범위의 광은 긴 지연 루프(2240)에 보내고 1,545 나노미터 내지 1,555 나노미터 범위의 광은 긴 지연 루프(2240)에 보내진다.
개개의 파장들에 대한 복수의 지연 루프들에 있어서, 소정의 센서 및 제1 지연 루프(2240)를 통하는 제1 파장 λ1에 대한 수신된 데이터 세트 Sλ1은 다음 식(29)로 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00025
동일 센서 및 제2 지연루프(2242)를 통한 제2 파장 λ1에 대한 데이터 세트 Sλ2은 다음 식(30)로 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00026
여기서 δ는 파장들 λ1 및 λ2로부터 입력(따라서 복귀된) 신호들 간 상대적 위상을 기술한다. 만약 δ=0이면, 두 파장들의 입력 펄스들은 입력 광섬유 내에서 일치한다. λ2의 입력 펄스가 λ1의 펄스에 비해 지연됨에 따라, δ는 증가한다. 지연 δ은 알고리즘의 필요성에 근거하여 임의의 값으로 설정될 수 있는 잇점이 있다.
알고리즘이 작용하기 위해서는 다음 식(31)이 되도록, 긴 지연루프 시간 Td λ1에 제약이 부과된다.
Figure 112004005422988-pct00027
여기서 p는 긴 지연루프 시간이 τ의 정수 배가 되게 하는 정수이다. 이 제약의 목적을 이하 기술한다.
전술한 정보에 근거하여, 식(28)에 의해 정의된 이전의 단일 지연 코일 알고리즘 F의 능력에 비해 동적범위를 증가시키기 위해 복수의 지연루프들로부터의 정보를 사용하기 위해 새로운 프린지 카운팅 알고리즘 F'을 개발한다. 알고리즘은 도 46a에서 소정의 센서로부터의 신호를 긴 지연루프(2240), β(t)=φ(t)-φ(t-Td λ1)로부터 작도함으로써 개발된다. 도 46a는 표준 프린지 카운팅 알고리즘 F를 도시한 것이다. 어레이는 샘플들 S1 및 S2를 측정하고, S1 -S2 > π이므로, 식(28)의 알고리즘에 따라, 2π를 샘플 S2에 더해 β(2τ)를 찾는다. 도 46a에서 플롯은 β(t)의 기울기를 알고 있다면 β(2τ)의 프린지 카운트가 보다 정확하게 계산될 수 있을 것임을 나타낸다. 예를 들면 β(t)의 기울기 β'(t)는 1/τ 주파수에서 측정된다. 이들 측정들이 t=τ, t=2τ 등에서 β'(t)를 제공하도록 상관(phase)된다면, 선형 외삽 형태 β'(t)를 사용함으로써 β(2τ)의 프린지 카운트가 예측될 수 있다. 즉, 도 46b에 도시된 바와 같이,
Figure 112004005422988-pct00028
이다. 측정 S2=β(2τ) mod 2π는 β(2τ)의 서브-2π 부분에 대해 보다 정확한 값을 제공하지만, 새로운 알고리즘 F'에 대해 식(35)로 아래 보인 바와 같은 프린트 카운트를 결정하는데는 식(32)의 선형 외삽이 더 정확하다.
종점들 (t=τ, 2τ) 대신 중간점 (t=1.5τ)에서의 기울기를 사용하는 것이 합당하다. 사실, 이를 행함으로써 약간 높은 저주파 동적범위 및 약간 낮은 고주파 동적범위와 유사한 결과들이 나온다. 알고리즘이 저주파 동적범위를 더 이상 어떠한 것도 필요로 하지 않는 점까지 극적으로 증가시켰기 때문에, 약간 더 큰 고주파 동적범위를 제공하도록 종점 알고리즘을 사용하기로 결정하였다.
알고리즘을 완료하기 위해서, β'를 측정한다. 제2의 보다 작은 지연루프(2242)를 사용함으로써 달성된다. β'를 측정하는 과정은 β'(iτ)에 대한 표현식으로 시작한다.
Figure 112004005422988-pct00029
Δ가 Td λ2와 동일한 것으로 확인함으로써, 식(33)의 마지막 줄에 제1 및 제2 괄호 항들은 식(30)에서 δ=0의 제2 지연 코일의 측정들로서 인식된다.
Figure 112004005422988-pct00030
(식(34) 참조)이라고 씀으로써 다음 식(34)이 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00031
식(28)의 표준 알고리즘은 짧은 지연루프(2240)에 대해 프린지 카운트 nλ2를 계산하는데 사용된다. β'는 짧은 지연루프(2240)로부터 측정되며, 이 정보로, 식(32)는 긴 지연루프(2242)로부터 각 샘플의 프린지 카운트를 측정하는데 사용된다.
수학적인 항들에서 파라미터 γi-1은 γi-1≡(τ/2)(βi-1+βi)로서 정의되며, 새로운 선형 외삽 알고리즘 F'는 다음 식(35)에 의해 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00032
여기서 Int(x)는 x 이하의 가장 큰 정수를 리턴한다.
식(28)의 표준 프린지 카운팅 알고리즘 F의 한계 및 식(35)의 새로운 2 지연 루프 선형 외삽 알고리즘 F'의 한계를 이하 비교한다. 간섭 센서 어레이의 동적범위의 정확한 분석은 꽤 복잡하고 단일 성능지수로 줄이기가 어렵다. 간단하게 하기 위해서, 다음의 비교는 어떠한 프린지 카운트 오류도 발생하지 않게 주파수의 함수로서 하이드로폰에서의 톤 위상의 최대 진폭을 비교한다. 이 분석은 두 알고리즘들 및 두 센서 유형들(마하-젠더 및 사냑)의 상대적 성능도 예시할 것이다.
표준 프린지 카운팅 알고리즘 F부터 시작하여, 두 샘플들 간 차이의 크기가 π를 초과한다면 프린지 카운트 오류가 발생함을 알 수 있다.
Figure 112004005422988-pct00033
여기서, 전과 같이, 사냑 센서의 경우엔 β(t) = φ(t)-φ(t-Td)이고, 마하-젠더 센서의 경우엔 β(t) = φ(t)이다. φ(t) = Asin(2πft+θ)라 쓰면, 마하-젠더 어레이에 대한 표준 프린지 카운팅 알고리즘 F는,
Figure 112004005422988-pct00034
이면 Asin(2πft+θ)로 주어지는 톤 위상 신호를 정확하게 나타내며,
Figure 112004005422988-pct00035
이면, 단일 지연 코일 사냑 어레이의 경우가 된다.
새로운 선형 외삽 알고리즘 F의 분석은 더 복잡하다. 프린지 카운트를 정확하게 계산하기 위해서 알고리즘에 대해 두 개의 조건이 만족되어야 한다.
1. 짧은 지연루프(2240)에선 프린지 카운트 오류들이 전혀 없다. 짧은 지연 루프는 이의 프린지 카운트들을 계산하기 위해, 마치 시스템에 긴 지연루프가 없는 것처럼 하여, 표준 프린지 카운팅 알고리즘 F를 사용한다. 지연루프(2240)의 짧은 길이 때문에, 표준 프린지 카운팅 알고리즘 F는 긴 지연루프에 수행하는 것보다 더 잘 수행한다.
2. 선형 외삽은 프린지 카운트를 정확하게 예상한다. 선형 외삽 알고리즘 F'는 긴 지연루프(2242)에 의해 측정된 위상차가 선형으로 변하는 것으로 가정한다. 위상차에서 큰 충분한 곡률의 경우엔, 이 상태는 만족되지 않을 것이며 알고리즘은 작동되지 않을 것이다.
제1 조건에 대한 요건은 다음 식(39)와 같이 Td를 Td λ2로 대치시킨 식으로 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00036
제2 조건에 대해서, 프린지 카운트 오류는 다음 위상차의 선형 외삽된 값 β'(t+τ)과 실제 다음 위상차 β(t+τ)이 π 이상만큼 다를 때 발생한다. 이것이 언제 발생하는지를 알기 위해서, 선형 외삽 예측은 β'(t+τ) = b(t) +(τ/2)(β'(t)+β'(t+τ))로서 씌여진다. 이에 따라, 프린지 카운트 오류가 없을 조건은 다음 식(40)과 같다.
Figure 112004005422988-pct00037
β(t) = (Asin(2πft+θ) - Asin(2πf(t-Td λ1)t+θ))로 쓰고 간단히 하면 다음 식(41)이 주어진다.
Figure 112004005422988-pct00038
여기서는 fTd λ2<<1이라고 가정한다. 이것은 동적범위를 위로 확장시키기 위해서 Td λ2를 매우 작은 것으로 선택하기 때문에 항시 성립한다.
선형 외상 알고리즘이 작용하기 위해서, 식(39) 및 식(41)이 만족되어야 한다. 비교를 위해서 프린지 카운트 오류가 발생하기 전의 A의 최대 값은 Td λ1= 100 마이크로초, τ=50마이크로초, 및 Td λ2=100 나노초에 대해 도 47에 주파수의 함수로서 작도되었다. 마하-젠더 어레이에 대한 동적범위의 수치 시뮬레이션 결과(□로 나타낸 점들로 작도된 것), 단일 지연 루프를 구비한 사냑 어레이(◇로 나타낸 점 들로 작도된 것), 및 위에 제공된 선형 외삽 알고리즘을 채용하는 두 지연루프들을 구비한 사냑 어레이(△로 나타낸 점들로 작도된 것)도 나타내었다.
도 47에서, 두 지연루프 선형 외상 방법에 있어서, 식(39)에서의 범위와 식(41)에서의 범위가 모두 만족되어야 하는 것에 유의한다. 따라서, 시뮬레이션은 두 곡선들 중 최소값을 따른다. 낮은 주파수들에서, 시뮬레이션은 식(39)의 곡선에 따르고, 높은 주파수들에서 시뮬레이션은 식(41)의 곡선에 따른다.
도 47는 선형 외삽 알고리즘은 예측된 바와 같이 행동하고 마하-젠더 어레이 혹은 단일 지연루프 사냑 어레이에서 가능한 것에 비해 동적범위를 극적으로 증가시키는(예를 들면, DC에서 400Hz로 3자리 크기만큼, 최대 1kHz까지의 2자리 크기만큼) 것을 도시하고 있다.
전술한 바는 단일 지연코일로 가능한 것 이상으로 센서의 동적범위를 증가시키기 위해서 2개의 지연루프들(2240, 2242) 및 두 개의 파장들 λ1, λ2을 사용하는 알고리즘을 기술하고 있는데, 이것은 마하-젠더 어레이에서 가능한 것보다 이미 훨씬 크다. 검출될 수 있는 톤의 최대 진폭의 향상은 꽤 상당하며, 2자리의 크기로 혹은 한 특정의 예에선 1kHz까지 이상이 되게 계산된다. 이 알고리즘은 구현하기가 수월하며 수신기측에서 추가 계산을 거의 요하지 않는다. 따라서, 가능한 동적범위가 필요할 것으로 생각된다면 그 구현에 거의 장애는 없다.
또한 전술한 실시예들은 슈퍼플루오레슨트 광원들에 관련하여 기술된 것에 유의한다. 이 기술에 숙련된 자는 그외 다른 광원들(예를 들면, 레이저원들)이 잇 점이 있게 사용될 수도 있음을 알 것이다.
본 발명에 따른 어레이에 대한 전술한 설명이 수중 어코스틱 감지를 다루었다할지라도, 본 발명은 광섬유에서 비상보적 위상 변조들이 야기되게 행해질 수 있는 어떤 피측정 대상이든 감지하는데 사용될 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 하이드로폰을 다른 피측정 대상에 반응하는 대안으로서의 감지 장치로 대치하였다면, 어레이는 어코스틱 파들이 검출되는 바와 동일한 방식으로 그 피측정 대상을 검출할 것이다. 본 발명의 어레이는 진동, 관입, 충돌, 화학물질, 온도, 액체 레벨 및 스트레인을 감지하는데 잇점이 있게 사용될 수 있다. 본 발명의 어레이는 동일 장소에 놓인 혹은 다른 장소에 놓인(예를 들면, 선박의 선체 혹은 건축물을 따른 여러 지점들에서의 여러 가지 결함들의 검출을 위해) 다수의 서로 다른 센서들을 결합하는데 사용될 수도 있다. 이외 다른 응용들은 교통감시 및 제어를 위해 고속도로에서 이동하는 자동차 혹은 활주로 상의 비행기들의 검출 및 트랙킹을 포함한다.
본 발명의 특정의 실시예들에 관련하여 위에 기술되었지만, 실시예들의 설명은 본 발명을 예시하는 것이며 한정하려는 것은 아님을 알 것이다. 여러 가지 수정 및 응용들이 첨부된 청구항에 정한 본 발명의 정신 및 범위 내에서 이 기술에 숙련된 자들에게 일어날 수 있다.

Claims (4)

  1. 제 1 및 2 동적 범위에 대한 교란(perturbation)을 감지하는 센서 시스템으로서, 이 센서 시스템은,
    - 제 1 파장의 입력 광 펄스 소스,
    - 제 2 파장의 입력 광 펄스 소스,
    - 센서 어레이,
    - 제 1 파장의 제 1 광학 지연 경로,
    - 제 2 파장의 제 2 광학 지연 경로,
    - 제 1 파장의 광에 반응하는 제 1 검출 시스템,
    - 제 2 파장의 광에 반응하는 제 2 검출 시스템, 그리고
    - 제 1 파장 및 제 2 파장의 입력 광 펄스들을 수신하는 입/출력 시스템
    을 포함하고, 이때,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광을 지닌 제 1 파장의 각각의 광펄스의 제 1 부분을 제 1 방향의 센서 어레이를 통해, 제 1 광학 지연 경로를 통해, 이어서, 제 1 검출 시스템에 도달하게 하고,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광에 수직인 제 2 편광을 지닌 제 1 파장의 각각의 광펄스의 제 2 부분을 제 1 광학 지연 경로를 통해, 제 2 방향의 센서 어레이를 통해, 이어서 제 1 검출 시스템에 도달하게 하고, 이때, 상기 제 1 검출 시스템은 제 1 동적 범위에 대해 변화하는 교란(perturbation)에 의해 유발되는 수신 광의 변화를 검출하며,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광을 지닌 제 2 파장의 각각의 광 펄스의 제 1 부분을 제 1 방향의 센서 어레이를 통해, 제 2 광학 지연 경로를 통해, 이어서, 제 2 검출 시스템에 도달하게 하고,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광에 수직인 제 2 편광을 지닌 제 2 파장의 각각의 광 펄스의 제 2 부분을 제 2 광학 지연 경로를 통해, 제 2 방향의 센서 어레이를 통해, 이어서 제 2 검출 시스템에 도달하게 하며, 이때, 상기 제 2 검출 시스템은 제 2 동적 범위에 대해 변화하는 교란(perturbation)에 의해 유발되는 수신광의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는, 제 1 및 2 동적 범위에 대한 교란 감지 센서 시스템.
  2. 제 1 및 2 동적 범위에 대해 음향 신호를 감지하는 음향 센서 시스템으로서, 이 시스템은,
    - 제 1 파장의 입력 광 펄스 소스,
    - 제 2 파장의 입력 광 펄스 소스,
    - 음향 센서 어레이,
    - 제 1 파장의 제 1 광학 지연 경로,
    - 제 2 파장의 제 2 광학 지연 경로,
    - 제 1 파장의 광에 반응하는 제 1 검출 시스템,
    - 제 2 파장의 광에 반응하는 제 2 검출 시스템, 그리고
    - 제 1 파장 및 제 2 파장의 입력 광 펄스들을 수신하는 입/출력 시스템
    을 포함하고, 이때,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광을 지닌 제 1 파장의 각각의 광펄스의 제 1 부분을 제 1 방향의 음향 센서 어레이를 통해, 제 1 광학 지연 경로를 통해, 이어서, 제 1 검출 시스템에 도달하게 하고,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광에 수직인 제 2 편광을 지닌 제 1 파장의 각각의 광펄스의 제 2 부분을 제 1 광학 지연 경로를 통해, 제 2 방향의 음향 센서 어레이를 통해, 이어서 제 1 검출 시스템에 도달하게 하고, 이때, 상기 제 1 검출 시스템은 제 1 동적 범위에 대해 변화하는 음향 신호에 의해 유발되는 수신 광의 변화를 검출하며,
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광을 지닌 제 2 파장의 각각의 광 펄스의 제 1 부분을 제 1 방향의 음향 센서 어레이를 통해, 제 2 광학 지연 경로를 통해, 이어서, 제 2 검출 시스템에 도달하게 하고, 그리고
    상기 입/출력 시스템은 제 1 편광에 수직인 제 2 편광을 지닌 제 2 파장의 각각의 광 펄스의 제 2 부분을 제 2 광학 지연 경로를 통해, 제 2 방향의 음향 센서 어레이를 통해, 이어서 제 2 검출 시스템에 도달하게 하며, 이때, 상기 제 2 검출 시스템은 제 2 동적 범위에 대해 변화하는 음향 신호에 의해 유발되는 수신광의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는, 제 1 및 2 동적 범위에 대한 음향 신호 감지 센서 시스템.
  3. 교란(perturbations)을 감지하는 방법으로서, 이 방법은,
    - 제 1 파장의 제 1 광학 지연 경로를 포함하는 센서 어레이에 제 1 파장의 광 펄스들을 입력시키고,
    - 제 2 파장의 제 2 광학 지연 경로를 포함하는 센서 어레이에 제 2 파장의 광 펄스들을 입력시키며, 이때, 상기 제 2 광학 지연 경로의 광학적 길이가 상기 제 1 광학 지연 경로의 광학적 길이와 다르며,
    - 제 1 편광을 지닌 제 1 파장의 각각의 광펄스의 제 1 부분을 제 1 방향의 센서 어레이를 통해 제 1 광학 지연 경로에 도달하게 하고,
    - 제 1 편광에 수직인 제 2 편광을 지닌 제 1 파장의 각각의 광 펄스의 제 2 부분을 제 1 광학 지연 경로를 통해 제 2 방향의 센서 어레이에 도달하게 하며,
    - 제 1 동적 범위에 대해 변화하는 교란(perturbations)에 의해 유발되는 제 1 파장의 각각의 광 펄스의 제 1 부분 및 제 2 부분에서의 변화를 검출하고,
    - 제 1 편광을 지닌 제 2 파장의 각각의 광펄스의 제 1 부분을 제 1 방향의 센서 어레이를 통해 제 2 광학 지연 경로에 도달하게 하며,
    - 제 1 편광에 수직인 제 2 편광을 지닌 제 2 파장의 각각의 광 펄스의 제 2 부분을 제 2 광학 지연 경로를 통해 제 2 방향의 센서 어레이에 도달하게 하며, 그리고
    - 제 2 동적 범위에 대해 변화하는 교란(perturbations)에 의해 유발되는 제 2 파장의 각각의 광 펄스의 제 1 부분 및 제 2 부분에서의 변화를 검출하는,
    단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 교란 감지 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 교란(perturbations)이 음향 신호인 것을 특징으로 하는 교란 감지 방법.
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