KR20070094615A - 광학 시스템 - Google Patents

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KR20070094615A
KR20070094615A KR1020077014603A KR20077014603A KR20070094615A KR 20070094615 A KR20070094615 A KR 20070094615A KR 1020077014603 A KR1020077014603 A KR 1020077014603A KR 20077014603 A KR20077014603 A KR 20077014603A KR 20070094615 A KR20070094615 A KR 20070094615A
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KR1020077014603A
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피터 힐리
에드먼드 세르지오 로버트 시코라
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브리티쉬 텔리커뮤니케이션즈 파블릭 리미티드 캄퍼니
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Abstract

본 발명은 교란 감지 시스템에 관한 것으로, 특히 교란이 예측될 수 있는 광학 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은, 서로에 대하여 나란히 배치된 제 1 도파관부 및 제 2 도파관부; 상기 제 1 도파관부와 상기 제 2 도파관부에 제 1 신호와 제 2 신호를 각각 발사하는 발사 수단; 및, 상기 송신된 제 1 및 제 2 신호를 결합하여 복합 신호를 생성하는 결합수단을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 도파관부는 광학적으로 연결되어 각각의 제 1 및 제 2 신호가 각각의 제 1 및 제 2 도파관부를 따라 나아가고, 상기 제 1 및 제 2 신호는 서로 관련되어 상기 제 1 및 제 2 도파관부 내의 교란이 상기 복합 신호로부터 추론되는 것을 특징으로 한다. 두 도파관부에 부가된 교란으로 인한 노이즈 또는 다른 신호는 적어도 부분적으로 억제된다.

Description

광학 시스템{OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 교란이 예측될 수 있는 광학 시스템에 관한 것이다.
케이블 또는 전선관 내의 하나 이상의 광섬유를 따라 기계적 교란을 검출할 수 있는, 예를 들어, 가능한 도청 시도를 검출하거나 그렇지 않으면 보안 통신을 제공하기 위한 센서가 알려져 있다. 그러나, 전체 케이블은 예를 들면 지하 케이블의 경우 지반을 통과하여 진행하는 음파에 의해 무해하게 교란될 수도 있다.
스페클(speckle) 패턴에 기초한 간섭 법칙의 형식을 사용하여 동작하는 센서가 알려져 있다. 이를 위해, 다중 모드 화이버의 섹션은 감지될 위치에 접합 된다. 빛이 다중 모드 섹션을 통과하여 지나가는 것과 같이, 단일 모드 광섬유로의 전환에 의해 필터링되는 포인트에서 그 다음 간섭하는 다수의 전파 모드를 여기 시킨다. 이 스페클 패턴의 모드 필터링은 다중 모드 광섬유의 마이크로 교란에 매우 민감하고, 그 다음 검출되는 이 섹션을 통해 변화하는 전송 손실을 가져온다. 이 접근은 감지되는 모든 포인트에서 접합된 특수 광섬유가 필요하고, 표준 전송 시스 템 사용을 위해 광섬유 링크를 부적절하게 하는 문제점이 있다. 다중 모드 광섬유 외부에 전체 링크를 만들고 종단에서 스페클 패턴을 필터링하는 것이 가능하지만 이는 단일 모드의 경우와 같은 문제를 만드는 동일한 노이즈 문제가 있다.
본 발명에 따르면, 교란을 감지하는 광학 시스템을 제공하고, 상기 시스템은: 서로에 대하여 나란히 배치된(side to side arrangement) 제 1 도파관부 및 제 2 도파관부; 상기 제 1 도파관부와 상기 제 2 도파관부에 제 1 신호와 제 2 신호를 각각 발사하는 발사 수단; 및, 상기 송신된 제 1 및 제 2 신호를 결합하여 복합 신호를 생성하는 결합수단을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 도파관부는 광학적으로 연결되어 각각의 제 1 및 제 2 신호가 각각의 제 1 및 제 2 도파관부를 따라 나아가고, 상기 제 1 및 제 2 신호는 서로 관련되어 상기 제 1 및 제 2 도파관부 내의 교란이 상기 복합 신호로부터 추론되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 장점은 양 도파관부에 부가된 교란에 의한 노이즈 또는 다른 신호가 제 1 및 제 2 도파관부 중 하나만의 교란에 의한 것에 비해 적어도 부분적으로 억제되는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 교란이 도파관부 중 하나에 선택적으로 부가되는 경우, 상기 교란은 용이하게 검출될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 및 제 2 신호는 서로의 복제가 된다. 복제는 정확하게 복제될 필요는 없고, 상이한 진폭을 가질 수도 있다. 그러나, 바람직하게, 상기 신호는 공통 위상 변화를 가지게 된다. 상기 제 1 및 제 2 신호는 연속파 광원에 의해 생성되고, 제 1 및 제 2 신호의 연속하는 경우는 서로 끊임없이 뒤따르게 된다. 한편, 광원은 펄스 소스(pulsed source)가 된다.
본 발명의 다른 측면은 부가된 청구범위에 제공된다. 본 발명은 실시예의 방식으로, 다음 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1 본 발명에 따른 광학 시스템을 나타내고;
도 2 는 추가 광학 시스템을 나타내고;
도 3 은 도 1 및 도 2의 시스템에서 사용을 위한 신호 처리 시스템의 구성을 나타낸다.
일반적인 설명과 같이, 상기 차동-모드 접힌 마흐 젠더(Mach-Zehender) 센서의 작동 원리가 도 1을 참조하여 설명된다. 고발광 다이오드과 같은 광대역 광원 또는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(EDFA, Erbium doped fibre amplifier)로부터의 자연 증폭 발광(ASE, amplified spontaneous emission)에서의 신호 'x(t)'는 광 절연체를 통해 2x2 광섬유 커플러의 입력 포트에 연결된다. 광원의 간섭(coherence) 시간, tc는 'd'가 전체 시스템을 통하여 두 경로 'X', 'Y' 사이의 차등 지연이고, 'L'은 일-방향 전송 광섬유 지연일 경우, 다음 부등식을 만족한다:tc≪d≪l. (특히, tc는 피코초(picosecond) 단위이고, 'd'는 나노초(nanosecond) 단위이고, 'L' 은 100의 마이크로초(microsecond) 단위이다). 커플러는 광원을 두 부분으로 분리시키는데(여기서는 같은 진폭으로 가정함), 일 부분은 경로'X'를 거치는 루트이고, 다른 부분은 경로'Y'를 거치는 루트가 된다. 경로 'X' 와 'Y'는 도면에 도시된 바와 같다. 경로 X는 커플러에서 거울 C로 나아가고, 커플러를 통해, 전송 다리를 거쳐 거울 B로 돌아오고, 다시 돌아온다. 경로 Y는 커플러에서 분극 제어기/주파수대 변환기와 전송 다리를 통해 거울 A로 나아가고 다시 돌아온다. 여기 설명된 바와 같은 센서의 동작에 도움이 되지 않으므로 도면에 도시되지 않은 시스템을 통과하는 여러 경로가 있다. 거울 A와 B 각각을 향하는 전송 다리 'L'을 따라, 광섬유 경로 X와 Y의 밖으로 향하는 쪽에서 나아가는 두 파는 'd'(몇 나노초)와 거의 같은 작은 차등 지연에 의한 시간 동안 분리된다. 그러므로, 모든 실행 가능한 목적을 위해 두 파는 두 전송 광섬유가 아주 근접하여 있는 경우, 본질적으로 동일한 교란 신호를 보게 될 것이다. 이는 교란이 밀리초(milliseconds)에 측정된 시간 단위에 상응하는 음향 영역에서 주파수 성분을 가질만하기 때문이다. 같은 조건은 거울 A와 B로부터 반사된 후 복귀 경로 상의 두 파에 대해서도 적용된다. 2x2 커플러에 복귀하는 동안, 두 파는 다시 두 부분으로 나뉜다. 이번에는 경로 Y 위에 커플링되는 경로 X로부터의 빛과 경로 X 위에 커플링되는 경로 Y로부터의 빛(역방향에서)에만 주목한다. 분명하게, 경로 X 상에 있는 빛의 반은 이제 경로 Y를 거쳐 나아가고, 그 역도 또한 같다. 전송 섹션에서 두 진행파 사이의 시간 차가 여전히 'd'이고, 그래서 양자는 한 시간대에 거의 2L초 후이기는 하나, 두 번째 시간 동안 본질적으로 동일한 교란을 본다. 이번에는, 파동이 커플러로 돌아갈 때, 그 들은 X+Y의 정확하게 동일한 전체 경로 지연을 나아갔고, 그렇게 위상 간섭이고, 간섭 혼합된다. 그러므로 두 파 사이에서 차등 위상 편이를 일으키는 임의의 교란은 커플러에 의해 전송된 빛을 두 출력 포트에서 진폭이 변화하도록 한다. 이 진폭 변조는 교란의 특성을 결정하기 위해 모니터 된다. 분명히 모니터하는 수신기는 양 다리중 하나에 그리고 선택된 다리를 따라 임의의 위치에 배치될 수 있으나 신호는 광섬유 손실 때문에 커플러에 가까울수록 더 강해질 것이다.
보다 상세하게, 도 1은 제 1 광섬유(12) 또는 제 2 광섬유(14) 중 하나를 따라 교란이 감지될 수 있는(광섬유(12,14)는 굵은 선으로 표시됨) 광학 시스템을 도시한다. 제 1 및 제 2 광섬유(12.14)는 4 포트 (2X2) 커플러(18)의 제 1 및 제 2 포트(24,26)에 각각 연결된다. 토막 또는 광섬유(30)의 다른 짧은 부분이 제 4 포트(28)에 연결되는 동안, 광대역 광원(16)은 커플러(18)의 제 3 포트(22)에 결합된다. 각각의 광섬유(12,14,30)에 대하여, 커플러(18)에서 떨어진 단부에서 커플러(18)를 향에 돌아오는 신호에 대한 각각의 반사기(34,36,32)가 제공된다.
커플러(18)는 제 1 또는 제 4 포트 중 하나에 입사하는 빛이 제 2 및 제 3 포트 양쪽에서 출력하도록 배열된다. 마찬가지로, 제 2 또는 제 3 포트에서 입사하는 빛은 제 1 및 제 4 포트 양쪽으로 출력한다. 이 방식에서, 포트에 입사한 각각의 광 신호에 대해, 한 쌍의 복제는 커플러(18)에서 유효하게 형성된다. 이 실시예에서, 상이한 커플링 비를 가진 커플러가 사용되더라도, 빛을 제 2 및 제 3 포트 각각(또는 제 1 및 제 4 포트 각각)에 같은 정도 결합하는 50:50 커플러이다.
제 1 및 제 2 광섬유(12,14) 각각은 각각 전송부 또는 "다리"(12a,14a)와 연 결부(12b,14b)를 포함하고, 광섬유의 전송부(12b,14b)는 예를 들어 공통 슬리브(38, sleeve)와 같은 공통 채널인 지지부에 의해 서로에게 관하여 지지된다. 연결부는 길이가 같지 않으므로, 전송 다리(12a,14a)를 따라 나아가는 한쌍의 신호 복제 사이에 일시적인 오프셋을 가져온다. 도 1에서, 제 1 광섬유의 연결부가 제일 길고, 그에 의해 커플러(18)와 전송부(12a) 사이에 배치된 지연 라인(12b)을 형성한다. 그러므로, 지연 라인(12b)은 제 1 광섬유의 전송부에서 나아가는 광신호에 제 2 광섬유의 전송부에서 나아가는 광 신호에 대한 지연을 부가한다.
시스템(10)의 동작을 이해하기 위해, 광원(16)에 의해 전송된 광신호의 경로를 고려하는 것이 바람직하다. 커플러(18)에 도달하자마자, 이 신호들은 다른 부분이 서로의 복제인 두 부분으로 분리된다(이 실시예에서 커플러는 신호를 같은 진폭을 가진 복제로 나누지만, 복제의 진폭이 동일할 필요는 없음). 하나의 복제는 경로 "X"를 통해 루트가 정해지고, 다른 복제는 경로 "Y"를 통해 루트가 정해진다(경로 X와 Y는 도 1에서 가는 라인으로 도시됨).
경로 X를 따라 나아가는 빛은 제 4 포트(28)가 반사기(32)에서 반사되고 제 4 포트에서 커플러로 동일한 광섬유를 따라 돌아가기 전에 토막부(30)를 따라 나아가는 커플러를 빠져 나간다. 경로 X를 따라 나아가는 빛은 그 다음, 제 2 광섬유의 단부에서 반사기(36)에 의해 커플러를 향해 되돌아가기 전에, 제 2 포트(26)에서 커플러를 빠져나가고, 제 2 광섬유(14)를 따라 특히, 전송부(14a)를 통해 나아간다. 경로 Y를 따라 나아가는 빛은, 전방향과 역방향에서 제 1 광섬유(12)를 따라 나아가고, 반사기(34)에 의해 제 2 광섬유의 단부에서 반사되는 제 1 포트(24) 에서 커플러를 빠져나간다.
광섬유가 슬리브(38)에 있는 포인트(p)에서 동적 교란이 제 1 및 제 2 광섬유 전송부(12a,14a)에 적용되면, 교란은 두 광섬유의 전송 특성에 유사한 효과를 가지게 한다. 이는 두 광섬유가 서로 근접해 있기 때문에 슬리브에 적용된 교란은 각 광섬유에 거의 같은 움직임을 가져온다. 광섬유에서 나아가는 신호에 부가되 위상 변화는 그러므로 양 광섬유에 대하여 거의 동일하다.
두 전송 다리(12a,14a) 상에서 나아가는 한 쌍의 신호 복제에 대한 차등 지연 또는 동등한 일시적인 오프셋은 교란 발생이 예상되는 시간 단위와 비교하여 작도록 선택된다: 물리적 교란은 음향 진동에 기인하고, 차등 지연이 나노초 단위가 되므로, 밀리초 단위 시간 단위로 발생할 것이다. 그러므로, 커플러(18)에서 생성된 신호 복제는 포인트 P에서 동적 물리적 교란에 대하여 실질적으로 동일한 위상 변화를 외향으로 나아갈 때(즉, 반사기(34,36)로 나아갈 때) 겪게 될 것이다. 마찬가지로 제 1 및 제 2 광섬유를 따라 신호는 커플러(18)쪽으로 돌아올 때 동일한 교란을 겪게 된다.
커플러(18)로 돌아와서, 제 1 및 제 2 포트 각각에서 신호는 2개의 추가 복제가 일어난다. 시스템의 동작을 이해하기 위해, 이번에 역방향에서 경로 X 및 Y를 따라 나아가는, 경로 Y에 커플링된 경로 X로부터의 빛과 경로 X에 커플링된 경로 Y로부터의 빛을 고려하는 것이 바람직하다. 50:50 커플러의 경우에, 이전에 경로 X 상의 빛의 거의 1/2은 이제 경로 Y를 거쳐 나아가고, 그 역 또한 같다. 다시, 각각의 광섬유 내의 신호 복제 사이에서 관련 시간 지연은 교란의 시간 단위와 비교하여 작고, 그렇게 다시, 두 신호는 P에서의 교란에 관하여 동일한 위상 변화를 겪게 된다. 그러므로 두번째 시간 동안 커플러에 신호가 돌아오는 경우, 각각의 신호는 동일한 전체 경로(각각 경로 X와 경로 Y를 따라)를 통과하게 된다. 또한, 각각의 신호는 각각의 신호가 포인트 P를 통과하는 매시간 겪은 교란으로 인한 동일한 누적 위상 변화를 겪게 된다. 그러므로 제 2 시간 동안 경로 X와 Y로부터 돌아가는 신호는 위상 간섭이고, 간섭으로 혼합될 것이다: 즉, 두 신호는 일치하고, 커플러(18)에서 구조적으로 간섭할 것이다. 이는 각각의 외향 및 내향 경로 상에 있기 때문에, 신호에 의해 겪은 교란이 제 1 및 제 2 광섬유에 대해 동일하게 된다(그럼에도 불구하고 동적 교란에 의한 광섬유의 변위가 외향 및 내향에서 나아가는 신호에 대하여 상이하게 됨).
그런데, 제 1 및 제 2 광섬유(12,14) 중 하나만 교란되고, 다른 제 1 및 제 2 광섬유가 교란되지 않고 남으면, 경로 X와 Y중 하나에서만 나아가는 빛은 위상 교란을 거치게 되고, 그러므로 커플러(18)로부터 출력된 신호는 변경될 것이다. 이 변경된 신호는 제 1 광섬유에 배치된 탭(tap,40)에서 모니터되고, 상기 탭은 대신에 제 2 광섬유에 위치할 수 있다. 상기 탭은 제 1 광섬유를 따라 상이한 위치에 배치될 수 있지만, 신호는 광섬유 손실때문에 커플러에 최대한 근접하게 된다.
광학 아이솔레이터(42)는 커플러로부터 광원쪽으로 돌아가는 빛 때문에 광원에서 발생하는 불안정성의 가능성을 감소시키기 위해 광원과 커플러(18) 사이에 배치된다. 광원은 바람직하게 슈퍼-발광 다이오드 또는 그 반대와 같은 광대역 광원이 되고, 신호는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기로부터 자연 증폭 방출에 의해 발생된 다. 광섬유 내에서 분극 회전의 바람직하지 않은 효과를 감소시키도록, 분극 제어기/주파수대 변환기(scrambler)(44)가 제 2 광섬유의 감지부(14a)와 커플러(18) 사이에 배치된다.
탭(40)은 도 3에 도시된 신호 처리 시스템(29)에 연결된다. 신호 처리 시스템은 다음을 포함한다: 광수신기로부터 광신호를 전기 신호로 변환하도록 제 1 커플링 단계(28)에 결합되는 광수신기(51); 상기 광수신기(51)로부터 전기 신호를 수신하고 상기 전기 신호를 필터링하는 필터(52); 및, 필터링된 전자 신호를 처리하는 신호 처리 유닛(54)을 포함한다. 일 실시예에서, 신호 처리 유닛은 오디오 증폭기와 같은 증폭기가 된다. 한편, 신호 처리 유닛은 아래 개설된 바와 같은 디지털 시스템이 될 수 있다.
필터(52)는 외부에서 발생한 노이즈를 최소화하도록 기대 신호 대역폭에 매치된다. 일반적으로 약 100kHz의 대역폭을 가진다(다른 대역폭 가능). 신호 처리 유닛(54)은, 예를 들어 간섭 신호 상의 푸리에 변환을 수행하는 것에 의해, 그 시간 의존 신호를 형성하는 주파수 성분을 가지는 스펙트럼으로 시간 의존 간섭(조합)신호를 변환하는 커플링 단계(28)로부터의 (필터링된) 간섭 신호의 스펙트럼 분석을 수행하도록 설정된다. 측정된 스펙트럼은 그 다음 알려진 스펙트럼 또는 광섬유 내에서 알려진 교란에 의해 나타나는 기호와 비교된다. 그러한 알려진 기호 스펙트럼(또는 적어도 그러한 기호 스펙트럼의 특성 주파수 성분)은 신호 처리 유닛(54)의 메모리 기억장소(55)에 저장된다.
알려진 기호 스펙트럼과 측정된 스펙트럼을 비교하기 위하여, 다음 단계가 신호 처리 유닛(54)의 프로세서(57)에 의해 수행된다: (a)임의의 주파수 성분이 임계값 이상인지를 결정하는 단계, 및 (b)이 주파수 성분들이 알려진 기호 스펙트럼의 특성 주파수 성분과 일치하는지를 판단하는 단계(허용 레벨 안에서). 그러므로, 각각의 측정된 스펙트럼에 대하여, 각각의 비교 단계가 각각의 저장된 기호 스펙트럼과 수행된다. 기호 스펙트럼의 특성 성분만 메모리 기억장소(55)에 저장되면, 각각의 기호 스펙트럼에 대하여 저장된 정보가 그 스펙트럼의 특성 주파수의 리스트를 간단히 포함할 수도 있다. 프로세서(57)는 그 다음 측정된 스펙트럼의 각각의 성분의 각각의 주파수 값을 기호 스펙트럼의 주파수 값과 비교될 수 있다. 측정된 스펙트럼과 기호 사이의 상관 정도를 나타내는 스코어 값(score value)이 그 다음 생성되고, 그 스코어 값이 임계값을 초과하면 알람이 발생된다.
상관의 정도를 결정하기 위하여 다음 단계가 수행된다; (a)측정된 스펙트럼의 주파수 성분에 대하여, 기호 스펙트럼이 측정된 주파수 성분의 허용 레벨 내에 주파수 성분을 가지는지 여부를 결정하고, 매치되면 스코어 값을 증가시키는 단계; (b)임계값 이상의 측정된 스펙트럼에서 각각의 주파수 성분에 대하여, 그 기호 스펙트럼에 관한 (a)단계를 반복하고, 매치될 때마다 스코어 값 카운터를 증가시키는 단계; 및, (c)적어도 하나의 기호 스펙트럼에 관한 각각의 측정된 스펙트럼에 대하여, 상기 스코어 값 카운터의 최종 값과 스코어 값을 결합하는 단계.
메모리 기억장소(55)는 기호 스펙트럼의 각각의 주파수 성분과 결합된 진폭 값 또한 저장한다. 프로세서(57)는 그 다음, 주파수 스펙트럼과 측정된 스펙트럼 사이의 관련 정도를 결정하는 경우, 대응하는 성분의 진폭과 함께 주파수 값의 유 사성이 상기 스코어 값 카운터를 증가시킬 때 고려되는, 보다 복잡한 알고리즘을 수행한다. 메모리 기억장소(55)는 바람직하게 시간 간격 안에서 수신된 간섭 신호를 저장하도록 설정되고, 측정된 스펙트럼과 기호 스펙트럼 사이의 비교가 매 시간 간격에 각각의 획득되거나 측정된 스펙트럼에 관하여 수행된다. 교란이 검출되면, 교란 신호가 출력(541)에서 생성될 수 있다.
도 1의 광섬유의 연결부(12b,14b)는 도 2에 도시된 바와 같은 복수의 전송 광섬유를 가지는 현재의 광섬유 케이블에 연결된다(같은 숫자를 가지는 같은 성분). 도 2에서, 모니터 장치(110)는 각각의 파장 분할 커플러(120,140)를 통해 광섬유 케이블 링크(380)의 각각의 광섬유(12a,14a)에 연결된다. 제 1 파장에서 광원(16)으로부터의 감지 신호는 커플러에서 복제들로 분리되는데, 복제들은 각각의 파장 분할 다중 수신 커플러(120,140)에 의해 각각의 광섬유(12a,14a)로 시작된다. 광섬유의 단부에 간 다음, 감지 신호는 광섬유의 각각의 단부에서 각각의 반사기에 의해 모니터 장치로 돌아온다. 파장 분할 다중 수신 커플러(120,140)로 돌아와서, 감지 신호는 각각의 광섬유(12,14)로부터 추출된다. 그러므로, 감지 신호는 도 1의 경로 X와 Y에 대응되는 경로를 따라서, 감지 신호는 감지된 광섬유(12,14) 둘 다가 아닌 하나에서 교란이 발생되는 지를 판단하는 데 사용될 수 있다. 트래픽(traffic) 신호는 제 1 파장과 상이한 제 2 파장에서 정상 방식으로 제 1 및 제 2 터미털(112,114) 사이에서 광섬유(12a,14a)를 통과하여 진행할 수 있다. 모니터되는 링크(380)의 일부를 넘어서는 원격 포인트에서, 각각의 광섬유에 대한 하향스트림 파장 분할 다중 수신 커플러(150,160)가 제공되는데, 상기 커플러는 모니터 장치를 향하는 감지 파장에서 돌아가는 빛에 대한 반사기로써 작용하도록 배치된다.
데이터를 도청하도록 광섬유 중 하나 안으로 탭하려는 도청자는 감지 신호 내의 변화가 검출되는 결과로, 정확하게 동일한 방법에서 각각의 광섬유를 움직일 가망이 없게 된다. 반대로, 예를 들어 케이블이 지하 케이블일 경우, 지반에서의 진동에 의해, 전체로서 케이블(380)이 교란되는 경우, 광 모니터 장치의 응답은 억제되거나 적어도 감소 되고, 그에 의해 오류 알람의 위험이 감소된다.
광학 시스템은 통신 데이터에 안전하게 사용될 수 있다. 원격 모니터 스테이션(200)에서, 데이터는 제 2 광섬유(14) 안으로 변조된다(한편, 데이터는 제 1 광섬유로 변조될 수 있음). 데이터는 바람직하게 위상 변조기(202)를 사용하여 변조될 것이다. 광섬유 중 하나만을 따라 신호가 변조되므로, 이 위상 변조는 교란의 검출과 유사한 방식으로 수신기에서 검출된다. 상기 실시예 각각에서, 광섬유(12,13)는 바람직하게 단일 모드 광섬유가 된다.
상기 실시예로부터 알게 되는 바와 같이, 광섬유/케이블의 쌍은 차동, 공통-모드 제거, 교란 센서에 사용된다. 두 광섬유가 함께 물리적으로 가까운 경우, 이들은 실질적으로 동일한 교란 신호를 보게 된다. 그러나, 예를 들어 광섬유 안으로 누군가 도청하려 것과 같이, 그들이 나뉘거나, 개별적으로 교란되면, 그들은 상이한 신호를 만나게 될 것이다. 시스템이 접힌 간섭계와 같이 작용하고 두 광섬유가 동일한 교란을 보게될 때 그 출력이 최소화되도록 설계된다. 이 공통-모드 제거 특성은 배경 잡음의 효과를 감소시키지만, 하나의 광섬유가 다른 하나와 상이하 게 교란되면 고감도를 부여한다. 공통 모드 동작은 요구되는 판별 정도를 제공하도록 동일 광섬유 번들 내에서 또는 동일 전선관, 케이블, 서브 덕트, 또는 덕트 안의 두 광섬유를 통과할 수 있다. 한편, 두 광섬유는 이 특정 위치를 민감하게 하도록 접속 하우징, 보도의 박스 등의 안에서 분리될 수 있다. 그러나, 광섬유는 누군가 그 안으로 도청하려 하는 길이를 따라 민감성을 유지한다.
차동-모드 접힌 마흐 젠더(Mach-Zehender) 센서의 이론적 동작이 다음 일련의 도면상에 개설된다.
광원 간섭 시간 τc 는 다음 부등식을 만족한다.
τc ≪d≪L
그러므로, 누적된 전송 손실로 인하여 양에 있어 비교적 낮은 높은 차수의 반사항을 무시하면, 커플러로 입력에서 주요 간섭항은 차단된 영역에 의해 주어진다. 수신기 다리에서 이들은 다음과 같다.
Figure 112007046755918-PCT00001
Figure 112007046755918-PCT00002
'S'가 전체 손실을 나타내는 스칼라 양일 때;
Figure 112007046755918-PCT00003
결과 강도, I(t)는
Figure 112007046755918-PCT00004
에 의해 주어지고, 다음과 같다.
Figure 112007046755918-PCT00005
Figure 112007046755918-PCT00006
(교란 없는 신호의 특수 케이스)
우리는 또한 광원 x(t)가 정상 랜덤 처리라 가정한다.
그러나, 우리가 교란을 시작할 때 출력은 다리 A와 B 상에서 차등 픽업(pick-up)에 좌우된다.
Figure 112007046755918-PCT00007
지루한 대수 후에 이는 다음과 같다.
Figure 112007046755918-PCT00008
Figure 112007046755918-PCT00009
Figure 112007046755918-PCT00010
가 다리 A와 B 각각에서 야기된 신호일 때, 결과 세기 I(t)는 다음과 같다.
Figure 112007046755918-PCT00011
이제 m'(t)=m"(t)이면 가까운 커플링 위상 항 삭제로 인해 I(t)=0이 되고, m'(t)≠m"(t) 이면 광섬유 분리 또는 한쪽 다리에서 만의 교란으로 인해 출력 신호가 끝난다.
간섭계에 의해 생성된 비간섭 항은 광원 간섭 시간 감소에 의해 최소화될 수 있는 저-레벨 배경 자연-자발 비트 노이즈를 발생시킨다. 여러번 X+Y 경로를 거쳐 나아가는 더 높은 차수의 반사된 신호는 광섬유 전송 경로와 간섭계에서 손실로 인한 실질적으로 양이 감소된다.
분극 제어기는 입력에서 커플러로 경로 X+Y를 가로지르는 파동의 분극 상태를 정렬하고 간섭 혼합 처리를 최적화하도록 위상 바이어스를 생성한다. 한편, 시스템 민감도에 작은 불이익을 가지고, 분극 제어기는 조절 가능한 부분에 대한 필요를 제거하도록 광섬유 리오 소극제(Lyot de-polariser)와 같은 분극 주파수 변환기에 의해 대치될 수 있다.
전송 링크 L의 단부의 거울은 중단되지 않는 광섬유 커넥터로부터 간단한 단부 반사가 될 수 있다. 거울 A와 B로의 전송 다리 둘 중 하나 또는 양자는 잘 알려진 WDM 기술이 사용된 데이터 서비스를 통해 다중 전송된 가상 채널 파장 영역 또는 전용 광섬유가 될 수 있다.

Claims (29)

  1. 교란을 감지하는 광학 시스템에 있어서,
    서로에 대하여 나란히(side to side arrangement) 배치된 제 1 도파관부 및 제 2 도파관부;
    상기 제 1 도파관부와 상기 제 2 도파관부에 제 1 신호와 제 2 신호를 각각 발사하는 발사 수단; 및,
    상기 송신된 제 1 및 제 2 신호를 결합하여 복합 신호를 생성하는 결합수단을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 도파관부는 광학적으로 연결되어 각각의 제 1 및 제 2 신호가 각각의 제 1 및 제 2 도파관부를 따라 나아가고,
    상기 제 1 및 제 2 신호는 서로 관련되어 상기 제 1 및 제 2 도파관부 내의 교란이 상기 복합 신호로부터 추론되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호는 각각 불규칙 구성요소를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 신호는 상기 불규칙 구성 성분이 상기 제 1 및 제 2 신호에 공통이 되도록 관련되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호는 각각 파형을 가지고,
    상기 불규칙 구성요소는 각각의 파형의 불규칙 위상인 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호는 서로의 복제인 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 송신 신호 사이에 상대 시간 지연을 부가하도록 구성되는 지연 단계가 제공되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호는 관련되는 위상 간섭시간을 가지고, 상기 상대 시간 지연은 상기 신호의 상기 위상 간섭 시간보다 큰 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상대 지연 시간은 다섯 중 하나 이상의 팩터에 의한 상기 신호의 상기 위상 간섭보다 큰 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상대 시간 지연은 열 중 하나 이상의 팩터에 의한 상기 신호의 상기 위상 간섭 시간 보다 큰 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지연은 상기 제 1 도파관부 또는 제 2 도파관부와 일체로 형성된 추가 도파관부에 의해 적어도 부분적으로 부가되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 제 1 및 제 2 신호가 공통 경로를 따라 서로 반대 방향에서 나아가도록, 상기 공통 경로를 따라 상기 제 1 및 제 2 신호를 채널링하는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공통 경로는 폐쇄된 경로인 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 도파관부는 광섬유의 각 부분에서 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발사 수단은 상기 광원에서 상기 제 1 및 제 2 도파관부로의 입력신호를 결합하는 광 결합 수단을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 신호는 상기 입력 신호로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 발사 수단은 상기 결합 장치와 상기 제 1 및 제 2 도파관부 각각 사이에서 연장하는 발사 도파관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 발사 도파관부은 상기 각각의 제 1 및 제 2 도파관부와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 사용 시, 상기 광 결합 장치가 상기 제 1 및 제 2 도파관부 각각을 통해 송신된 상기 제 1 및 제 2 신호를 결합하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결합 수단으로 광을 되돌아가도록 하는 반사 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공통 채널이 상기 도파관부 연장에 따라 제공되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 채널은 공통 슬리브에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 채널은 공통 전선관에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 광학 시스템.
  21. 전송 링크의 제 1 도파관부 또는 제 2 도파관부에서 교란을 감지하는 감지 장치에 있어서,
    상기 전송 링크는 상기 감지 시스템에 리턴 경로를 제공하도록 구성되고,
    상기 감지 시스템은:
    상기 제 1 도파관부와 상기 제 2 도파관부 각각으로 서로 관련된 제 1 신호 및 제 2 신호를 발사하는 발사수단; 및
    결합 신호를 생성하도록 상기 리턴된 제 1 및 제 2 신호를 광학적으로 결합하는 결합 수단; 을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 신호는 상기 제 1 또는 제 2 도파관부 교란이 상기 결합 신호로부터 추론될 수 있도록 서로 관련되는 것을 특징으로 하는 감지 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 링크는 광 케이블, 또는 복수의 광섬유를 수용하는 전선관인 것을 특징으로 하는 감지 장치.
  23. 송신 링크의 제 1 도파관부 또는 제 2 도파관부에서 교란을 감지하는 방법에 있어서,
    제 1 및 제 2 도파관부는 나란히 배열되고,
    상기 방법은, 상기 제 1 도파관부와 상기 제 2 도파관부로 서로 관련되는 제 1 신호와 제 2 신호를 도입하는 단계;
    상기 제 1 및 제 2 신호 각각이 상기 제 1 및 제 2 도파관부를 따라 나아가 도록 상기 제 1 및 제 2 신호를 채널링하는 단계;
    결합 신호를 생성하도록 상기 제 1 및 제 2 신호를 결합하는 단계; 및
    상기 결합 신호로부터 상기 교란의 존재를 추론하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 도파관부를 따라 상기 신호가 나아가면서 상기 제 1 및 제 2 신호가 오프셋되도록, 상기 제 1 및 제 2 신호 사이에 일시적 오프셋을 도입하는 단계를 포함하고,
    상기 교란은 상기 일시적 오프셋보다 큰 시간 스케일 상에서 변화하는 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 교란은 음향 교란인 것을 특징으로 하는 교란을 감지하는 방법.
  26. 제 2 도파관부에 상대적으로 제 1 도파관부이 교란되는 지를 판단하는 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    각각의 쌍이 제 1 신호와 제 2 신호를 포함하는 복제 신호의 쌍을 생성하는 단계;
    제 1 경로를 따라 상기 제 1 신호를 채널링하는 단계;
    제 2 경로를 따라 상기 제 2 신호를 채널링하는 단계; 및
    상기 제 1 및 제 2 경로를 따라 나아가는 각 쌍의 제 1 및 제 2 신호를 결합하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 경로는 상기 제 1 및 제 2 도파관부 각각을 따르는 부분에서 각각 연장되는 것을 특징으로 하는 제 2 도파관부에 상대적으로 제 1 도파관부이 교란되는 지를 판단하는 방법.
  27. 제 2 도파관부 내의 교란에 상대적인 제 1 도파관부 내의 교란을 감지하는 차이 감지 시스템에 있어서,
    서로의 복제인 제 1 신호 및 제 2 신호를 생성하는 수단;
    제 1 경로를 따라 상기 제 1 신호를 지향시키고 제 2 경로를 따라 제 2 신호를 지향시키는 방향 수단; 및
    상기 제 1 및 제 2 경로를 따라 지나간 상기 제 1 및 제 2 신호를 결합하는 결합수단을 포함하고,
    제 1 경로 및 제 2 경로는 상기 제 1 및 제 2 도파관부 각각을 따라 부분적으로 각각 연장하는 것을 특징으로 하는 교란 감지 시스템.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 방향 수단과 상기 결합 수단은 공통으로 결합 장치를 포함하는 것을 특 징으로 하는 교란 감지 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 방향 수단은 반사 장치를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 도파관부 각각은 상기 반사 장치와 상기 결합 장치 사이에서 각각 연장하는 것을 특징으로 하는 교란 감지 시스템.
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