KR910005303B1 - 광섬유 간섭계를 사용한 감지기 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

광섬유 간섭계를 사용한 감지기 및 그 방법

제1도는 회전 감지기에 사용된 것과 같은 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계의 개략도.

제2도는 본 발명의 한 실시예에 따른 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계를 사용하는 음향 감지기의 개략도.

제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계를 사용하는 음향 감지기의 개략도.

제4도는 제3도의 감지기내의 음파를 도시한 도면.

제5도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 폐쇄 루우프 간섭계를 사용하는 감지기의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 32 : 광원 12, 34 : 광섬유

13, 36 : 편광기 14, 18, 38, 42 : 방향성 결합기

24, 46, 72 : 폐쇄 루우프(코일) 20, 40 : 검출기

28, 30 : 파두 68 : 변조기

70 : 변환기

본 발명은 폐쇄 루우프 또는 사그낙(Sagnac) 광섬유 간섭계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유 간섭계 내의 광섬유 도파관에 영향을 미칠 수 있는 주변 현상의 양(quantity)의 감지기에 관한 것이다.

간섭계는, 상호 간섭될 수 있는 2개의 간섭성 신호들 사이의 위상 변화의 원리에 따라 작동한다. 폐쇄 루우프 간섭계는 ＂구형(global)＂스케일상의 상대 위상 변화를 측정하는데, 즉 광섬유의 단일 루우프내에서 역방향으로 전달되는 2개의 광선 신호들 사이의 전반적인 상대적 위상 변화를 측정하는 것이다.

간섭계의 광섬유 루우프는 예컨대, 온도, 음압(音壓), 진동, 운동, 전계 및 자계 등과 같은 다수의 주변 효과에 민감하다. 이러한 외부 현상들은 예컨대 광섬유의 복굴절성이나 광섬유를 통과하는 광선 신호의 전달 속도 혹은 기하학적 경로의 길이를 변화시킴으로서, 광섬유를 통해 전달되는 광선의 진폭, 위상 또는 평관을 변하게 하는 등, 광섬유의 광학적 전달 특성을 변화시키게 된다. 주변 효과에 대하여 이와 같이 민감하다는 것은, 감지될 요구된 양이 광섬유가 민감하게 되는 기타의 주변 양으로부터 분리될 수 있는 한, 광섬유 간섭계 루우프가 감지기 소자로서의 역할을 할 수 있다는 것을 의미한다.

＂가역적(reciprocal)＂인 주변 효과(즉, 역방향 전달파들 사이에 위상 전이를 야기시키지 않는 효과)와 ＂비가역적(non-reciprocal)＂인 주변 효과(즉, 역방향 전달파들 사이에 위상 전이를 야기시키는 효과)를 구분하여 생각하기 바란다. 부수적으로, 가역적 효과와 비가역적 효과는 ＂구형 스케일＂(주변 현상의 효과를 루우프에 대해 전반적으로 고려하는 경우)로 생각될 수도 있고, 혹은 ＂미시적인 척도＂(주변 현상을 광섬유의 국부적인 작은 세그먼트에 대해서만 고려하는 경우)로 생각될 수도 있다. 회전 및 패러데이 효과 등과 같은 소정의 주변 효과는 광섬유의 동일한 작은 편을 통해 이동하는 역방향 전달파들 사이에 상대적인 위상변화를 야기시키는 미시적인 척도면에서 비가역적 효과를 발생시킨다. 이와 같은 비가역적인 미시적 효과가 누적되면, 이에 따른 최종적인 효과도 역시 구형 스케일로 비가역적이 된다. 예컨대 압력 등과 같은 다른 주변 효과는 광섬유의 동일한 작은 편을 통해 이동하는 역방향 전달 광선 신호들 사이에 상대적인 순수 위상 변화를 야기시키지 않는다는 점에서, 미시적인 척도에서 가역적인 것이다. 전체적인 척도에서, 이들 미시적인 가역적 효과의 누적 효과는 가역적인 것이 보통이다. 그러므로, 미시적인 척도에서의 이러한 가역적 효과는, 미시적 척도에서의 가역적 효과를 구형 스케일에서의 비가역적 효과로 만들어주는 어떤 방법이 개발되지 않는 한, 폐쇄 루우프 간섭계에 의해 측정될 수가 없다.

종래에, 폐쇄 루우프 간섭계는 에컨대 회전과 같은 비가역적인 미시적 효과를 감지하는데 사용되는 것이 전형적이었다. 1981년 3월 31일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제249,714호의 일부 연속 출원인 1981년 9월 30일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제307,905호의 일부연속 출원인 1981년 11월 9일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제319,311호에 기술된 바와 같이, 역방향 전달 광선의 광학적 경로를 평광 모우드 중의 하나의 모우드로 제한시키는 편광기와 함께 폐쇄 루우프 간섭계를 작동시키면, 이 폐쇄 루우프 간섭계는 안정하게 되고, 구형 스케일에서는 예컨대 운동과 같은 비가역적인 미시적 효과 이외의 다른 주변 효과에 대하여 비교적 덜 민감하다. 이러한 간섭계에서, 온도나 압력 등과 같은 미시적으로 가역적인 주변 현상은 역방향으로 전달되는 2개 광선 신호들의 광섬유의 광학적 광선 전달 특성에 실질적으로 동일한 영향을 미치게되며, 역방향 전달 신호들 사이에는 상대적인 위상 변화가 거의 일어나지 않거나 전혀 일어나지 않게 된다. 본 발명은 미시적으로 가역적인 효과(예컨대, 음압)들을 구형 스케일에서 비가역적이 되도록 함으로써 상기 미시적인 가역적 효과들을 감지하는 폐쇄 루우프 간섭계 구조를 제공한다.

본 발명은, 광섬유의 미소 길이상에서 통상적으로는 가역적 효과를 발생시키는 주변 현상들이 비가역적 효과를 발생시키도록 하여줌에 의하여, 폐쇄 루우프 광학적 간섭계를 사용하여 상술한 주변 현상들을 감지하는 것에 관한 것이다. 간단히 말하면, 이것은, 감지된 현상을 폐쇄 루우프에 대하여 공간적으로 비대칭적이고 불균일하게 만들므로써 달성된다. 본 명세서에 기술된 3가지의 기본적 실시예에서 사용되는 근본 원리는, 감지될 양 Q를 간섭계의 폐쇄 루우프에 인가함으로써, Q가 시간에 따라 변하게 하고 이 Q가 루우프 주위의 경로의 중심으로부터 편기된 지점에 인가되도록, 즉 역방향으로 전달되는 광선 신호들 중 한 신호가 다른 신호보다 더 멀리 검출기로 이동하도록 하여주는 경로상의 소정 지점에 시간에 따라 신속하게 변하는 Q가 인가되도록 하여주는 것이다. 본 명세서에서 사용한 ＂역방향 전달파들＂ 또는 ＂역방향으로 전달되는 광선 신호들＂이라는 용어는, 간섭계의 루우프내에서 상호 반대방향으로 이동하는 2개의 광선신호를 총칭적으로 의미하는 것이다. 한편, ＂역방향 전달파＂ 또는 ＂역방향으로 전달되는 광선 신호＂라는 용어는, 음파의 이동 방향과 반대방향으로 루우프를 이동하는 음파(acoustic wave)만을 의미한다.

감지될 양을 2개의 역방향 전달 광선 신호들상의 효과에 대해서 공간적으로 비대칭적이고 불균일하게 만드는 근본 원리의 특수한 경우에 대해서는 차음의 2개의 실시에에 기술되어 있는데, 이들 2개의 실시에에 의하면 근본 원리를 파악하기가 더욱 쉽기 때문이다. 이들 2개 실시예는 음파의 효과가 2개의 역방향 전달 광선들상에서 불균일하게 되도록 특수하게 감겨진 광섬유 도파관의 코일을 이용하는 음파용 감지기에 관한 것이다. 즉, 루우프는, 해당 광선파가 상호전달 광선 신호(해당 광선파와 동일한 방향으로 이동한 광선신호)상에서 균일한 효과를 갖고 역방향 전달 광선 신호상에서는 불균일한 효과를 갖도록, 감지될 파에 관련하여 감겨지고 배열된다.

제1실시예에서는, 코일의 종방향 축를 따르는 상호 전달 광선의 축방향 속도가 종방향 축를 따라 이동하는 음파의 전달 속도에 정합되도록 코일을 감아줌으로써 상기의 원리가 달성된다. 제2실시예에서는, 각각의 코일을 통하는 광선신호의 주행시간이 음파의 주기의 1/4이 되도록 코일의 직경과 권선수를 선택하고, 2개의 코일을 음파의 파장이 1/4만큼 공간적으로 분리시켜 감아줌으로써, 상기의 근본 원리를 이용한다. 각각의 코일의 길이로, 코일을 감싸는 음파부분에 의해 코일이 균일하게 영향을 받도록, 코일이 음파의 파장에 비해서 매우 좁은 공간을 차지하도록 하는 방식으로 선택된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 감지될 양 Q는 시간에 따라 변화하고 공간적으로 비대칭이 되도록 간섭계의 루우프에 인가된다. 양 Q는 비대칭적으로 루우프에 인가되므로, Q의 변화는 역방향 전달파의 각각에 상이한 영향을 미치게 되므로, 역방향 전달파들 사이에는 위상차가 생기게 된다. 그러나, Q가 예컨대 온도와 같이 천천히 변화하는 양이면 Q의 값은 Q가 인가되는 루우프상에 2개의 역방향 전달파들의 도달시간 사이에서 지점이 크게 변하지 않게 되므로, 각각의 파는 Q에 의해 실질적으로 동일한 영향을 받게 된다. 이러한 경우에는, 시간에 따라 신속하게 변하는 바이어스 또는 반송 주파수로서 양 Q를 통상의 변조기에 의해 변조시킨 다음, 광원과 검출기 사이의 기하학적인 경로로부터 편기된 지점에서 이 Q를 루우프에 인가한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 변조된 Q, 즉 q(t)는 이 q(t)의 진폭에 비례하여 광섬유를 신장시키는 위상변조기로써 루우프에 인가된다.

중요한 사실은, 본 발명에서는 가역적인 양에 의해 비가역적 효과를 발생시킴으로서, 폐쇄 루우프 간섭계의 고유 안정성 및 더욱 정적인 작동을 이용하여 가역적 양을 감지한다는 것이다. 결과적으로, 본 발명에 의하면 감지될 바람직한 효과를 바람직하지 못한 양의 효과로부터 더욱 양호하게 구별할 수 있는, 더욱 정적이고 더욱 민감한 감지기가 제공된다.

폐쇄 루우프의 지연선 기능은, 예컨대 온도와 같이 천천히 변화하는 양을 감지하기 위해 본 발명을 이용할 경우에, 이 양 Q에 대한 민감도를 증가시키고, 또한 양 Q의 변조 주파수가 더 낮아질 수 있도록 하여주는 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계를 이용하는 감지기를 제공하려는 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 목적 및 특징에 대해 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

제1도는, 본 명세서에서 모두 참조 문헌으로 사용된 미합중국 특허 출원 제249,714호(1981.3.31)의 일부 연속 출원인 미합중국 특허 출원 제307,095호(1981.9.30)의 일부 연속 출원인 미합중국 특허 출원 제319,311호(1981.11.9)에 기술된 회전 감지기에 사용되는 것과 같은 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계를 간략화시켜 도시한 개략도이다. 광원(10)에서 발생된 광선 비임은 광섬유(12)와 편광기(13)을 통해 광섬유 방향성 결합기(14)로 전달된다. 방향성 결합기는 비임 분할 기능을 수행하도록 사용될 수도 있다. 광선 비임은 화살표로 나타낸 바와 같이 서로 반대방향으로 폐쇄 루우프(16)을 통해 전달되는 2개의 파로 분할된다. 루우프(16)을 통해 전달된 후에, 2개의 비임은 재결합되어 광섬유(12)를 통해 편광기(13)를 통과한 다음에 제2 광섬유 방향성 결합기(18)로 향하며, 이 방향성 결합기(18)은 상기의 결과 신호를 검출기(10)으로 보내어준다. 이 검출기(20)은 결합된 파의 세기(이 세기는 2개의 역방향 전달파들 사이의 위상차에 다라 달라진다)에 응답하여서 위상전이를 나타내는 출력신호를 발생시킨다. 광섬유 코일이 회전하면, 역방향 전달파들에 비가역적인 효과를 나타내게 되기 때문에, 검출기는 이 회전을 측정하게 된다. 제1도에 도시하지는 않았지만, 폐쇄 루우프 간섭계에는 방향성 결합기, 편광 제어기, 위상 변조기 및 로크인 증폭기가 사용될 수도 있는데, 이와 같은 내용은 상기 미합중국 특허 출원 제319,311호에 기재되어 있으며, 또한 ＂옵틱스 레터즈(Optic Letters)＂, 제6권, 제10호(1981년 10월)에 기재된 버어그(Bergh), 레페브레(Lefevre) 및 쇼오(Shaw)의 논문 ＂장기안정성을 가진 완전한 단일 모우드 광섬유 자이로스코우프(All-single-mode fiber-optic Gyroscope with Long Term Stability)＂와 같은 잡지 제6권, 제4호(1981년 4월)에 기재된 동인(同人)의 논문 ＂완전한 단일 모우드 광섬유 자이로스코우프(All-single-mode Fiber-Optic Gyroscope)＂ 등에 기재되어 있다.

간섭계는, 모든 구성 부품들이 하나의 단일 모우드 광섬유로 구성된 광섬유 집적장치의 형태를 취할 수도 있다. 위상 변조기가 사용될 경우, 이 위상 변조기는 응답의 선형성 및 민감도를 증가시키는 바이어스를 제공할 수 있다.

통상적으로, 제1도의 간섭계에 강력한 영향을 미치지 않는 미시적인 가역적 효과의 예로서는 온도, 힘, 응력, 압력, 변위, 인장력, 진동 및 음파 등이 있다.

제2도는 본 발명의 한가지 실시예에 따른 폐쇄 루우프 간섭계를 이용하는 음파 감지기의 개략도이다. 제2도에 도시된 음파 감지기는 제1도의 회전감지기의 구조와 유사하다. 그러나 이 실시예에 있어서, 코일(24)는 감지될 음파(26)의 이동방향을 따른 종방향 축(X측)으로 뻗어나가는 나선형으로 감겨져 있다.

감지기는 다수의 권선으로 감겨진 폐쇄 루우프 광섬유 도파관(24)을 포함한다. 권선의 직경 D, 권선수 N 및 종방향 X축을 따르는 권선의 간격은 특정한 기준에 맞도록 선택된다. 이때의 기준은, 감지될 음파(26)이 코일의 종방향 X축을 따라서 이동하는 속도와 상호 전달되는 광신호가 코일(24)의 단부 A로부터 단부 B를 향해 코일(24)을 이동하는 속도가 동일하여야만 한다는 것이다. 즉, 광선파가 코일내의 권선 주위에서 이동할 때, 마치 매우 정밀하게 나삿니가 파인 나사의 나삿니를 기어 오르는 것처럼 광선파가 어떤 축방향 속도로 단부 B를 향해 이동되도록 하는 것이다. 이와 같은 광선파의 축방향 속도는 광섬유내에서의 실제의 전달속도보다 상당히 느린데, 그 이유는 권선의 수가 많고 각각의 권선은 음파면(28)에 거의 평행하기 때문이다. 음파는 이 음파의 전달 방향에 직교하는 음향 압축 및 정류면을 갖고 있다. 음파면(28)은 음파내의 고압 매질의 피이크를 나타내고 공간(30)은 저압 매질 영역을 나타낸다.

제2도의 실시예에 있어서, 코일은 이 코일상에서의 음파의 전체적인 구형 효과에서의 비가역적인 효과를 전반적으로 극대화시키도록 구성되어 있다. 즉, 음파와 관련된 코일의 형태는, 코일상에서의 음파의 효과가 시간에 따라 변화하고 공간적으로 불균일하게 됨으로써 역방향 전달파들 사이에 상대적인 전이를 발생시키도록 되어 있는 것이다. 코일의 직경과 권선수는, 광파가 나선형 코일(24)의 전체 길이를 이동하는데 소요되는 시간 T₁과, 음파가 나선형 코일(24)의 축방향 길이를 이동하는데 소요되는 시간 Ta가 동일하게 되도록 선택된다. 따라서, 코일을 통해 좌측에서 우측으로 전달되는 파는 음파로부터 균일한 압력을 받게 되고, 우측에서 좌측으로 이동하는 광파는 연속적으로 변화하는 영향을 받게 된다.

즉, 코일(24)의 권선수와 직경은, 광파가 광섬유의 A로 들어갈 때, 단부 B를 향해 X축으로 이동하는 광파의 속도가 단부 B를 향해 X축을 따라 진행하는 (26)의 전달속도와 정합되도록 선택된다. 그러므로, 단부 A가 음파의 피이크(28)의 고압영역에 의해 감싸여져 있을때에 광선의 펄스 또는 버스트(burst)가 코일(24)의 단부 A로 들어간다면, 이, 광선의 펄스 또는 버스트는 음파(28)의 동일한 부분으로부터 동일한 압력을 받게 되는 광섬유내로 연속적으로 이동하게 된다. 이 압력은, 광선파가 이동하는 각각의 광섬유의 세그먼트가 이동 음파로부터 압력 효과에 의해 동일하게 신장되거나 압축되기 때문에 상호 전달파를 단부 A에서 단부 B로 이동시키는 기하학적 경로 길이를 변화시킨다.

그러나, 이러한 상태는 역방향 전달파의 경우와 동일하지 않다.

단부 B로부터 단부 A로 이동하는 역방향 전달광선파는 우선 음파의 피이크(28)에 의해 압축되는 광섬유의 세그먼트와 조우된 다음 파곡(trough : 30)에 의해 신장되는 광섬유 세그먼트와 조우된다.

그러므로 역방향 전단 광선파를 이동시키는 기하학적 경로로 음파에 의해 선택적으로 길어졌다가 짧아진다.

코일(24)의 길이 L이 음파의 파장의 정수배인 경우, 역방향 전달파의 순수 경로 길이 변화는 0일수 있다.

결과적으로, 본 발명에 의하면 음파(26)의 진폭과 코릴(24)의 길이 L에 대해 선형으로 비례하는 2개의 역방향 전달 광선파들 사이에 순수 위상 전이가 발생된다.

즉, 코일의 길이 L을 길게 하면 할수록, 음파는 상호 전달 광선파가 이동하는 광섬유의 상호작용 거리가 더 커진다.

그러므로 경로 길이를 전체적으로 증가시키면, 위상 전이가 발생하므로, 상호 작용 길이 L도 크게 증가한다.

코일 길이 L이 음파장의 정수배가 되도록 선택될 때 코일(24)의 최대 방향성 및 식별력이 생기게 되는데, 그 이유는 음파가 광섬유내에서 음파의 전달방향과 반대인 축방향으로 이동하는 역전달파의 경우에 순수 위상 전이가 0으로 되어 감지기의 성능이 최대로 되기 때문이다.

그러나, 상호 작용 길이 L은, 음파의 진폭을 나타내는 역전달파들 사이에서 상대 위상 전이를 식별할 수 있는 충분한 음파의 파장의 미소부분일 수 있다.

미지의 주파수의 음파를 공지된 속도로 전달하는 주파수는 길이가 변할 수 있는 지연선을 사용하여 역방향 전달파내의 위상 전이가 0이 되도록 이 지연선을 감으므로써 결정될 수 있다.

루우프(24)내의 역방향 전달 광선파는 편광기(36)을 통해 코일(24)의 2개의 단부에 결합된 광섬유 방향성 결합기(38)롤 파를 안내하는 광섬유(34) 내에 광선파를 결합시키는 광원(32)에 의해 발생된다.

광원(32)는 매우 짧은 간섭성 길이를 가질 수 있다.

즉, 광원의 간섭성 길이가 음파에 의해 발생된 코일을 통하는 미시경로 길이를 초과하는 한, 2개의 역방향 전달파는 코일의 전장을 경과하여 이동한 후에 간섭받게 되고, 연속적으로 서로를 간섭하도록 합해진다.

상대 위상 전이량을 결정하기 위해서는 간섭성이 필요하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 광섬유(34)는 모노 모우드 광섬유이다.

편광기(36)은 쌍방향성이고, 선정된 편광의 광선만을 통과시키도록 조정될 수 있다.

편광기(36)은 이 분야에 공지되어 있는 바와 같이 폐쇄 루우프 간섭계의 가역적 동작 특성을 유지시키는데 중요하다.

편광기는 루우프내로 들어가는 광선이 하나의 편광만 갖게 한다.

루우프 광섬유의 복굴절성은 전달 속도가 선택된 편광속도와 다른 경우의 직교 편광 모우드에 에너지 부분을 결합시킨다.

복굴절성이 기하학적 경로의 중심부에 대해 대칭을 이루지 않으면 역방향 전달파는 새로운 속도로 상이한 거리를 이동하게 되고, 상이하게 위상 전이를 하게 한다.

편광기는 한가지 편광의 광선만을 광섬유로 들여 보낼 수 있다.

입력 편광 모우드 이외의 다른 편광 모우드에서의 모든 귀환(returning)광선 에너지를 차단시키고, 그러므로, 검출기는 선택된 편광 모우드로 루우프를 통해 이동된 역전달파 성분으로부터 광선 에너지만을 발생시키게 되는데, 2개의 역방향 전달파 신호들이 동일한 편광 모우드에서 동일한 기하학적 경로 길이, 즉 동일한 속도로 이동하기 때문에 위상 전이가 없어진다.

방향성 결합기(38)은 편광기(36)으로부터 루우프를 향해 이동하는 편향 광선파를 2개의 간섭성 광선파로 분산시키고 코일(24)의 한 단부에 각각의 파를 결합시키므로, 이 파들은 역방향으로 전달된다.

비임 분산기가 방향성 결합기(38) 대신에 사용될 수도 있으나, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 광섬유가 광원(32)로부터 결합기를 통해 검출기에 연속적으로 다시 결합되어 있기 때문에 쌍방향성 결합기를 사용한다.

이와는 반대로, 비임 분산기는 단부가 반사파를 발생시키는 분리된 광섬유를 결합시킨다.

이러한 반사파는 입력 광섬유로 다시 반발되고 인입 광선파를 차단시켜 바람직하지 못한 정지파가 발생할 수 있다.

비임 분산기를 사용하면, 펄스화 동작을 사용할 경우의 반사에도 아무런 문제가 발생되지 않게 된다.

펄스화 동작시에, 광원(32)는 암흑(어두운)기간 만큼 펄스를 분리시킨다.

시스템내의 광섬유의 길이와 펄스 분리 기간을 조정함으로써, 역방향 펄스로부터의 귀환 결합 펄스와 초기 펄스 사이의 암흑 기간동안 반사 신호를 검출기에 도달하게 할 수 있다.

광섬유 방향성 결합기(38)은, 역방향 전달 광선 신호들이 루우프를 통과한 후에 이 신호들을 재결합시키기도 한다.

이때 결합된 신호는 입력 광섬유(34)내에 결합되고 이 경로상의 편광기(36)을 통해 광검출기(40)으로 가게 된다.

편광기(36)와 광원(32) 사이에서는, 제2광섬유 방향성 결합기(42)가 입력 광섬유(34)에 결합된다.

이 제2결합기(42)는 루우프(24)로부터 광검출기(40)의 입력으로 귀환하는 결합신호로부터 에너지의 일부를 분기시킨다.

이때 광검출기는 상대 위상 전이를 결정하도록 간섭되는 결합 신호의 세기에 비례하는 신호를 발생시킨다.

이것은 본 분야에 공지되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 편광 제어기(44)는 루우프내에서 이동하는 광선신호의 편광을 제어하기 위해 루우프(24)내에 배치된다.

이것은 루우프(24)내의 복굴절성 영역과 편광기(36)의 상호작용에 의해 발생된 ＂신호 페이딩(signal fading)＂을 방지하는 것이 바람직하다.

예컨대, 편광기가 광선이 루우프 내·외에서 수직 편광되게 하고, 루우프내의 복굴절성이 역방향 전달광선 신호로부터의 모든 에너지를 수평 편광 모우드에 결합시키면, 편광기(36)는 모든 출력광선을 차단시키고, 검출기는 0 출력을 등록하게 된다.

편광 제어기의 구조는 본 분야에 공지되어 있다.

이러한 장치들은 입력 광선을 어떤 편광 상태로 처리할 수 있고, 이것을 다른 선택된 편광 상태로 출력 광선으로 전이시킬 수도 있다.

편광 제어기(44)를 적절하게 조정함으로써, 최소한 약간의 광선, 양호하게는 대부분의 광선이 편광기(36)에 의해 통과된 편광으로 루우프를 나오게 할 수가 있다.

즉, 편광 제어기는 검출기로부터의 출력신호를 최대로 하는데 사용될 수 있다.

이것은 주변에 생기는 복굴절성과 제조공정중의 잔여 응력에 의해 생기는 광섬유 구조물의 복굴절성이 신호 페이드 아웃(fade out)을 발생시키지 못하게 한다.

코일(24)내의 역방향 전달 광선상에서의 음파의 시간에 따라 변하고 공간적으로 불균일한 효과는, 음파의 진폭을 측정함으로서 검출될 수 있는 재결합 광선파의 세기를 변화시킨다.

제2도 및 제3도에 도시한 실시예를 사용할 수 있는 것은 음파의 방향 탐지기가 있다.

이것은 출력신호가 최대로 될 때까지 루우프 종방향 축을 선회함으로써 행해질 수 있다.

코일의 길이가 상호 전달 광선의 전체적인 위상 전이량에 정비례하기 때문에, 감지기의 민감도는 길이 L을 증가시킴으로서, 특히 음파(26)의 파장을 증가시킴으로서 증가될 수 있다.

제3도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폐쇄 루우프 간섭계를 사용하는 음향 감지기를 개략적으로 도시한 도면이다.

이 실시예에 있어서, 코일(46)은 C1과 C2로 표시된 2개의 격설된 코일 그룹으로 분리되는데, 이 그룹들 중의 한 그룹은 광섬유의 N/2인접 권선으로 먼저 구성되고, 다른 그룹은 N/2인접 권선으로 최종적으로 구성된다.

이 2개의 코일 그룹은 거리 d 내에서 서로 관련하여 X축을 따라 배치되므로, 이 2개의 코일그룹의 평면은 서로 평행하게 유지된다.

이 2개의 코일 그룹들 사이의 거리 d는 바람직한 실시예에서는, 참조 번호(47)로 표시한 음파의 1/4파장의 홀수배가 되도록 선택된다.

이 2개의 코일 그룹을 형성하는데 사용된 광섬유의 전체 길이는 이 2개의 코일을 통한 광 전달 시간이 음파 주파수의 가간의 1/2이 되도록 되어 있다.

다른 실시예에 있어서, 거리 d는 코일 C1과 C2의 크기가 조정되는 경우에, 음파의 파장의 소정의 다른 부분으로 될 수 있으므로, 광학 전달시간은 거리 d가 음파의 파장으로 되는 음파 기간과 동일한 수분으로 된다.

그러나 이러한 실시예에 있어서, 감지기는 방향성으로 선택되지 않는다.

즉 이 선택적인 실시예에 있어서, 감지기는 전달 방향이 코일의 종방향 축 X에 평행한 경우에 음파의 전달 방향이 코일의 종방향 축에 평행하지 않은 음파들 사이를 정확하게 식별하지 못한다.

결과적으로, 상술한 구조는 지정된 파장의 음파가 X축 밑으로 전달될 경우에 역방향 전달 광선파들 사이에 상대 위상 전이가 생기게 하는 것이다.

이 위상 전이는 비가역적 형태로 역방향 전달광선파에서 작용하는 음파 압력에 의해 생기게 되는데, 이러한 파는 제1도의 장치와 유사한 간섭계 구조물에 가역적 효과가 생기게 한다.

이 비가역적 효과는 시간 t1과 t2에서의 제1 셋트의 코일 C1과 제2 셋트의 코일 C2내의 음파를 나타내는 것이 제4도에 도시되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 2개의 코일 그룹들 사이의 거리 d는 음파 파장의 1/4이 되도록 선택된다.

코일 C1과 C2의 크기는 이것을 통과한 광전달 시간이 음파 기간의 1/4과 동일하도록 되어 있다.

또한 이 코일들의 크기는 이것들의 길이 L1과 L2가 음파의 파장에 비해 작게 되도록 되어 있다.

또한, 제1도의 실시예에서와 같이, 코일들을 민감도를 최대로 하기 위해 음파의 전달축과 평행하게 되도록 배열된 종방향 축 X를 갖고 있다.

곡선(48 및 50)은 순서들이 음파기간의 1/4만큼 분리되는 시간 t1과 t2 내의 순간에서 파장의 1/4만큼 분리된 음파를 나타낸 것이다.

즉, 곡선(48)은 시간 t1에서의 상태를 나타낸 것이다.

즉 코일 C1과 C2가 어떤 식으로 시간 t1에서 음향 압력의 피이크와 파곡에 의해 엔벨로프되는지를 나타낸 것으로, 이 경우에 압력의 피이크와 파곡은 영역(52 및 54)로 각각 나타난다.

이와 마찬가지로, 곡선(50)은 코일 C1과 C2가 어떤 식으로 1/4기간 후에 시간 t2 내의 지점에서 음파에 의해 엔벨로프되는지를 나타낸 것이다.

시간 t1에서, 코일 C1은 참조 번호(56)으로 표시한 입력 레벨에서 코일 전체의 음향 압력을 균일하게 한다.

이것은 코일 C1의 각각의 루우프면이 음파(47)의 평면(60)에 평행하고 코일 C1의 길이 L1이 음향 파장에 비해 작다는 사실에 기인한다.

지점(58)에서 음파내에 엔벨로프된 코일 C2의 경우에도 동일한 것으로 보여지는데, 지점(58)에서의 압력은 지점(56)에서의 압력과 동일하다.

이것은 코일 C1과 C2가 음향 파장의 1/4만큼 분리되고, 시간 t1의 순간이 파의 피이크가 정확하게 코일들 사이에서 중심이 맞추어질 때에 발생되기 때문이다.

그밖의 다른 최종 시간 혹은 최초 시간에는, 각각의 지점에서의 압력은 동일하지 않다.

그러나 제3도의 실시예에서 동작할때의 원리는 어떠한 시간 t에서도 그대로이다.

코일 C1과 C2 전체에 걸쳐서 균일하게 작용하는 정(+) 압축효과는 코일 C1과 C2내에서 기하학적 경로 길이를 균일하게 변화시킨다.

그러므로 시간 t1에서의 코일 C1내의 상호 전달 광선신호의 코일 C2내의 역방향 전달 광선신호는 이들의 기하학적 경로 길이에 따라 동일하게 변화하므로, 전체 루우프를 통과하는 광선 신호 각각의 전달시간이 변화하게 된다.

코일 C1과 C2의 크기는 각각의 역방향 전달 광선신호가 각각의 코일을 통해 전달되도로 음파의 1/4기간 동안 취해지도록 되어 있으므로, C1 SO내의 상호 전달 광선 신호는 광섬유 세그먼트(62)상에서 나오는데 걸기는 시간 t2까지 코일 C1에 머무른다.

단기간 후에, 이 상호 전달 광선 신호는 제4B도의 곡선(50)상에 참조 번호(64)를 표시된 바와 같이 음파내에 침투된 코일 C2로 들어온다.

이와 마찬가지로, 시간 t1에서의 코일 C2내의 역방향 전달파는 시간 T2에 이를때까지 C2내에 머무르게 되고, 그 다음 세그먼트(62)를 통해 진행하여 코일 C1로 들어간다.

그러므로 시간 t2에서, 코일 C1과 C2는 지점(64 및 66)으로 각각 표시된 바와 같이 대응 진폭에서 음압내에 침투된다.

시간 T1에서 코일 그룹 C1내로 들어가고 제4a도의 참조 번호(56)에서 압력을 받은 상호 전달 광선 신호는 시간 t2에서 코일그룹 02에 있게 되고, 제4b도의 참조 번호(64)로 표시된 바와 같이 음파(47)로부터 동일한 정(+) 압축 효과를 받게 된다.

이 압축 효과는 코일 C2를 통하는 기하학적 경로 길이를 시간 t1에서 코일 C1에 발생된 것과 동일한 량과 동일한 신호만큼 변화시킨다.

그러므로 코일 C2를 통하는 전달 시간의 변화와 동일한 신호로 나타난다.

상호 전달 시간의 전체적인 변화는 추가적으로 0상태로는 되지 않는다.

그러나, 시간 t1에서 코일그룹 C2내에 발생되었던 역방향 전달 광선 신호는 제4a도의 참조 번호(58)에서 압력을 받게 되고 좌측으로 이동하여 시간 t2에서 코일 C1내에 있게 되어 제4b도에 참조 번호(66)으로 표시된 바와 같이 크기는 동일하고 방향이 반대인 압력을 받게 된다.

그러므로, 역방향 전달 광선 신호는 코일 C1에서 경로길이 변화를 받게 되는데, 코일 C1은 코일 C2에서 발생된 코일 C2의 경로 길이 변화에 대해 크기는 동일하고 방향이 반대이다.

그러므로 코일 C2에 의해 발생된 전달 시간의 변화는 코일 C1에 의해 발생된 전달시간의 변환에 의해 상쇄되고, 역방향 전달광선선호는 코일(46)을 통하는 전달 시간의 순수 변화가 0으로 된다.

요약하여 말하면, 코일 C1에서 C2로 전달되는 파는 효과는 보강되고, 코일 C2에서 코일 C1으로 전달되는 신호의 효과는 상쇄된다.

따라서, 역방향 전달파는 2개의 코일 그룹을 통해 전달된 후에 재결합될 때 상기 위상차를 갖는다.

이때, 이 위상차는 검출되어 음파의 진폭을 결정하도록 선형으로 해석될 수 있다.

각각의 코일을 통하는 광학 전달 시간과 코일의 분리가 각각 1/4기간과 1/4파장 이외의 것으로 분리되면, 감지기는 파의 존재를 감지하도록 작동하게 되는데, 역방향 전달파는 순수 0 전달시간 변화를 갖지 않게 된다.

이러한 경우의 감지기의 음압은 비선형적일 수 있다.

제2도 및 제3도의 감지기는 모두 유용한 소정의 대역폭을 갖고 있다.

각각의 대역폭의 중심 주파수는 순수 0 위상 전이가 역방향 전달 광선 신호내에 발생되게 하는 파장을 갖는 주파수이다.

다른 파장에서, 음압은 다소 여러 가지 효과 때문에 감소된다.

제2도 및 제3도의 실시예에 있어서, 광학적 코일 간섭계는 측정된 음파의 감지기로서도 작용한다.

더욱이 이 2가지의 실시예에 있어서는, 가변 코일 길이가 본 분야에 공지된 바와 같이 무한 가변지연선에 의해 이루어지는 것처럼 이루어지지 않는 한, 최적한 동작을 하도록 코일들이 음파의 특정한 주파수용으로 설계되어야 한다.

무한가변 지연을 제공하는데 사용될 수 있는 지연선의 구조에 대한 상세한 설명는 1982년 11월 11일자로 간행된 전자공학 학회지(Electronics Letters), 제18권, 제23호, 페이지 999-1000에 ＂광학섬유 가변 지연선(Fiber-Optic Variable Delay Lines)＂이란 논제로 기술되어 있다.

이러한 가변 지연선을 감지기 대역폭의 중심 주파수를 변환시키도록 제2도의 코일(24) 또는 제3도의 코일 C1 및 C2의 대용으로 사용될 수 있다.

제5도는 간섭계와 지연선으로서 단지 광코일을 사용하는 감지기의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.

이 실시에에서, 김지될 양 Q를 직접 변화시키는 신호 q(t) 또는 양 Q에 의해 변조되는 고주파수를 갖고 있는 반송파 신호로 구성되는 시간에 따라 변하는 신호q(t)를 발생시키는 변조기(68)에 인가된다.

변조기(68)의 적절한 구조는 본 발명의 목적을 만족시키고, 신호 q(t)는 양 Q자체, 또는 이에 비례하는 전기신호일 수 있다.

신호 q(t)는 변환기(70)의 위치에서 광섬유의 광학적 전달특성에 영향을 끼칠 수 있는 편광 제어기 또는 그 밖의 다른 장치일 수 있는 변환기(70)에 인가된다.

본 발병의 바람직한 실시예에 있어서, 신호 q(t)는 양 Q로 변조된 반송파 또는 바이어스 주파수 진폭이다.

바람직한 실시예에 있어서, 변환기(70)은 위상 변조기이다.

변환기(70)는 루우프의 기하학적 경로상의 기하학적 중심부로부터 편기된 지점(spot)에 배치되어야 한다.

신호 q(t)는 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계의 구조 및 동작에 의해 자연적으로 필터되어 걸려지는 변화 속도보다 더욱 신속한 속도로 시간에 따라 변해야 한다.

신호 q(t)에 대해 더욱 상세하게 후술한 바와 같이 코일(72)상에 공간적으로 불균일한 효과가 미치게 한다.

변환기(70)과 변조기(68)의 상세구조는 본 발명에서는 그다지 중요하지 않다.

변환기(70)은, 이 변환기(70)의 위치에서 광섬유의 복굴절성을 변하게 하는 소정의 장치 또는 q(t)에 응답하여 광섬유상의 만곡 또는 그 밖의 다른 응력을 보내기 위한 그 밖의 다른 장치일 수 있다.

또한, 변환기(70)은, 이 변환기(70)의 위치를 통해 전달되는 광선 속도를 변환시킬 수 있는 장치일 수도 있다.

이러한 속도 변환장치는 변화기의 위치에서 광섬유 횡단 크기를 변화시키기 위해 q(t)를 변환시키기 위한 소정의 구조일 수 있다.

이것은 도파관 효과에 의해 변화된 횡단 크기의 영역을 통하는 광선 신호의 전달속도를 변화시킨다.

다른 바람직한 실시예에 있어서, 변환기(70)은 q(t)에 응답하여 변환기(70)의 위치에서 역방향전달 광선 신호의 편광을 변화시키기 위한 편광 제어기일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 변환기(70)은 루우프내의 변환기(70)의 위치에서 광섬유 도파관의 경로 길이를 변화시켜 신호 q(t)를 변화시키는 위상 변조기이다.

즉, 광섬유는 신호 q(t)의 진폭에 따라서 변환기(70)내로 뻗어나간다.

이러한 위상 변조기의 적절한 구조는 압전 물질로 형성된 드럼(drum)인데, 코일(72)의 광섬유는 드럼 주위에 감겨진다.

이때 신호 q(t)와 같은 구동 전기신호는 압전물질에 인가되고 구동신호의 크기에 따라서 방사상으로 확장 및 수축된다.

이렇게 방사상으로 확장하면, 드럼 주위에 감긴 광섬유가 뻗어나가게 된다.

선택적인 실시예에서, 신호 q(t)는 변환기(70)과 같은 편광제어기의 조정 상태를 제어하는데 사용될 수 있다.

상기 3가지의 실시예에서 이러한 기능을 실기하기에 적합하게 될 수 있는 편광제어기의 구조는 전자공학 논문, 제16권, 제20호에 에이치.씨.레페브레(H.C.Lefevre)가 ＂단일 모우드 광섬유 굴절과 장치 및 편광제어기(Single Mode Fiber Fractional Wave Devices and Polarization)＂란 논제로 기술한 부분과, 1980년 9월 4일자로 출원한 미합중국 특허 출원 제183,975호에 상세하게 기술되어 있다.

광원(32), 결합기(42), 검출기(40), 편광기(36), 광섬유 방향성 결합기(38 및 42) 및 편광 제어기(44)의 기능 및 구조는 제2도 및 제3도의 실시예에서와 같이 제5도의 실시예에서도 동일하다.

비임 분산기가 3가지 실시예에 사용될 수 있는데, 이 비임 분산기에 의해 발생된 반사는 제2도의 실시예를 참조하여 상술한 펄스화 동작보다 더욱 양호하다.

본 발명의 3가지 실시예에서는 광섬유 방향성 결합기가 양호하다.

편광기(36)의 구조 및 동작에 대한 상세한 설명은 1980년 11월에 간행된 광학회지(Optics Letters), 제5권, 제11호, 페이지 479-481에 ＂단일 모우드 광섬유 편광기＂란 논제로 기술되어 있다.

방향성 결합기(38 및 42)의 구조 및 동작을 상세하게 설명한 것은 1982년 4월에 발행된 IEEE양자 전자 공학지(IEEE Journal of Quantum Electronice) 제QE-18권, 제4호, 페이지 746-754에 디고넷트와 샤우(Digonnet and Shaw)가 쓴 ＂동조 가능한 단일 모우드 광섬유 결합기(Analysis of a Tunable Single Mode Optical Fiber Coupler)＂란 논제로 기술되어 있고, 1980년 4월 11일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제139,511호의 일부연속 출원인 1981년 9월 10일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제300,955호에도 기술되어 있다.

제5도의 실시예의 동작은 다음과 같다.

광원(32)는 단일 모우드 광섬유(34)에 결합되고 방향성 결합기(42)와 편광기(36)을 통해 방향성 결합기(38)로 안내되는 광선 신호를 공급한다.

편광기(36)은, 광선이 루우프(72)를 향해 이동하거나 루우프(72)로부터 멀리 이동하는 지에 무관하게 선택된 편광은 편광을 갖고 있는 광선만이 편광기를 통과하게 한다.

방향성 결합기(38)은 광선 신호를, 루우프 주위에서 역방향 전달되는 2개의 간섭성 광선 신호로 분산시키고, 광섬유(34)내의 광원(32)를 향해 이동하는 하나의 광선 신호에 역방향 전달 광선신호를 결합시킨다.

편광 제어기(44)는 루우프내에서 양방향으로 이동하는 광선의 편광을 선택하게 한다.

결합기(42)는 광검출기(40)의 입력으로 광원을 향해 이동하는 광선의 일부를 분리시키는데, 이 검출기에서 이 광선은 이것의 구형 진폭, 즉 세기를 기초로 한 전기 신호로 변환된다.

물론, 루우프(72)내로 역방향 전달되는 결합신호의 진폭은 루우프내의 광학적 상태에 의해 발생된 이 신호들 사이의 상대 위상 전이에 따라 변한다.

루우프(72)내의 역방향 전달 광선신호는 변환기(70)의 작용에 의해 전이된 상대 위상을 갖는다.

양 Q는 신속하게 변하는 양 혹은 천천히 변하는 양일 수 있다.

양 Q가 신속하게 변하면, 이것은 변환기(70)에서의 광섬유의 경로 길이의 시간에 따라 변하는 양으로 변화되거나 변환기(70)에서의 광섬유의 복굴절성의 변화로 양을 변환시킬 수 있는 변환기(70)에 직접 인가될 수 있다.

변환기(70)이 이 변환기(70) 내의 경로 길이를 신속하게 시간에 따라 변하는 속도로 변환시키면, 역방향 전달 광선 신호를, 루우프를 통해 상이한 경로 길이로 이동되고 서로에 관련하여 위상이 최종적으로 전이된다.

이것은 이 신호들이 이것의 중심 위치에서 벗어나서 상이한 시간에 변환기(70)에 도달하기 때문이다.

변환기(70)을 통하는 경로 길이는 역방향 전달 광선 신호가 변환기에 도달할 경우 2개의 상이한 시간에 따라 달라지기 때문에, 2개의 역방향 전달신호는 루우프(72)를 통하는 2개의 상이한 전달시간을 갖게 된다.

그러므로 이 신호들은 상이한 시간에 방향성 결합기(38)에 도달하므로, 서로에 관련하여 위상이 전이하게 된다.

결합신호는 상대 위상 전이에 따라 진폭을 변화시킨다.

결합광선신호의 진폭은 상대 위상 전이가 양 Q에 선형으로 전이되기 때문에 양 Q를 얻도록 해석될 수 있다.

양 Q가 온도나 압력과 같은 천천히 변하는 차동 가역적 양이면, 양 Q는 본 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계가 천천히 시간에 따라 변하는 미시적으로 가역적인 효과에 민감하지 않기 때문에, 비대칭적으로 인가된, 신속하게 시간에 따라 변하는 반송파 신호에 따라 변조된다.

실제로, 이것은 이 양이 폐쇄 루우프 간섭계를 매우 조용하고 안정하게 하기 때문에 폐쇄 루우프 간섭계의 큰 장점이다.

양 Q가 진폭 또는 주파수 변조에 의해서와 같이 바이어스 또는 반송파 주파수로 변조되고, 변환기(70)이 위상 변조기인 경우에, 상술한 내용들은 그대로 유지된다.

진폭 변조가 사용되면, 변환기내의 경로 길이는 바이어스 또는 반송파 주파수에서 정현파 형태로 변환하게 되고 경로 길이의 스윙(swing)의 진폭은 양 Q에 따라 변하게 된다.

그러므로 변환기(70)에 의해 발생된 상대 위상 전이는 정현파 형태로 변하게 된다.

또한 정현파 형태의 상대 위상 전이 진폭, 즉 상대 위상 전이의 정현파 형태 진동의 진폭 엔벨로프는 양 Q로 된다.

이 엔벨로프는 양 Q가 연장시간(over time)을 변화시킴에 따라 연장시간을 변화시킨다.

변환기(70)이 이 변환기(70)의 위치에서의 광섬유의 복굴절성을 변환시키면, 하나의 편광 모우드에서 다른 편광 모우드로 광선을 결합시키므로써 상대 위상 전이가 발생된다.

복굴절성은 상이한 편광 모우드로 광섬유내로 광선을 전달하게 하는 상이한 속도로 전달시키는 섬유의 특성이다.

변환기(70)의 신호 q(t) 혹은 양 Q에 비례하여 이 변환기(70)의 위치에서의 광섬유의 복굴절성을 변화시키면, 이 변환기(70)은 역방향 전달 신호들 사이의 상대 위상 전이를 변화시키게 된다.

이것은 변환기가 저속 모우드로 이동하는 에너지량 대 신속 모우드를 이동하는 에너지량을 제어할 수 있기 때문이다.

즉, 하나의 편광 모우드로 도파관내를 이동하는 광선이 복굴절성으로, 소정의 광선 에너지는 직교 편공 모우드에 결합된 다음, 새로운 편광 모우드에 대해 상이한 속도로 이동하게 된다.

복굴절양이 q(t)의 함수로 되면, 양 Q는 편광기(35)에 의해 설정된 편광에 의해 직교 편광 모우드로 전달되는 역방향 광선 신호의 에너지량에 의해서 결정될 수 있다.

이것은 직교편광 모우드내의 역방향 전달 신호로부터의 결합신호의 진폭으로부터 결정될 수 있다.

직교 모우드로부터의 결합신호의 진폭을 결정하기 위해 제5도의 실시예에 있어서는, 직교 모우드로 동조된 편광기로 귀환 에너지의 일부를 보내도록 편광기와 결합기 사이에 다른 방향성 결합기가 추가되고 다른 광 검출기가 제2편광기의 출력에 결합된다.

음파 또는 그 밖의 다른 파를 감지하는 방법은 선정된 방식으로 감기어 배열된 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계의 코일을 통하여 역방향 전달 광선 신호를 안내하는 단계를 포함한다.

이 선정된 방법은 상호 전달 광선파가 코일의 종방향 축 밑으로 진행하는 것과 동일한 속도로 해당 음파 또는 그 밖의 다른 파가 코일의 종방향 축 밑으로 전달된다.

이때 해당 파가 코일을 통해 전달됨에 따라 역방향 전달신호들 사이에서 위상차가 검출된다.

더욱 상세하게 말하자면, 이 감지방법은 광선 신호를 발생시키어 선택된 편광으로 이 광선 신호를 편광시키는 단계를 포함한다.

이때 편광 광선은 2개의 광선 신호로 분리되어, 종방향 축이 해당파의 전달 방향과 평행하게 배열된 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계에 나선형으로 감겨진 루우프를 통해 역방향으로 전달된다.

루우프는 광섬유를 통해 이동하는 상호 전달 광선 신호가 해당파에 의해 위상 전이에 균일하게 영향을 받고, 광섬유를 통해 이동하는 역방향 전달파가 해당파에 의해 위상 전이에 불균일하게 영향을 받을 만한 크기로 감기어 있다.

이때 위상차가 검출된다.

이러한 현상 또는 양 Q를 감지하기 위한 방법은 폐쇄 루우프 광섬유 간섭계의 코일을 통해 역방향 전달 광선 신호를 안내하는 단계를 포함한다.

양 Q는 이 양 Q에 따라 변하는 신호 q(t)로 변환시키는 변조기에 의해 감지된다.

신호 q(t)는 양 Q자체로 되거나, 어떤 경우에는 양 Q에 따라서 선형으로 변하는 전기 신호 일 수 있다.

신호 q(t)는 광섬유의 광학적 전달 특성이 이 위치에서 바뀌도록 코일의 기하학적 경로의 중심부로부터 편기되는 위치에서 광섬유 간섭계의 코일에 인가된다.

이때 역방향 전달 광선 신호들 사이의 상대 위상 전이가 검출된다.

신호 q(t)는 이 q(t)의 인가 위치에서 q(t)에 비례하여 복굴절성을 변경시키도록 인가될 수 있고 인가 위치에서 q(t)에 따라서 광섬유 내의 전달 속도를 변경시키도록 인가될 수도 있다.

또한 q(t)가 인가되므로, q(t)가 인가되는 코일내의 위치를 통과하는 광선의 편광이 q(t)에 비례하여 변경된다.

본 발명의 바람직한 방법은 q(t)에 따라서 다른 역방향 전달신호의 기하학적 경로 길이에 관련된 하나의 역방향 전달신호의 기하학적 경로 길이를 변경시키는 것이다.

이 모든 방법들은 역방향 광선 신호의 광선을 코일내로 들어가게 하기 전에 동일하게 편광시키고 루우프내에 결합된 역방향 전달 광선 신호의 편광과 동일하게 편광되지 않은 모든 귀환 역방향 전달 광선을 편광시키는 단계를 포함한다.

이러한 결합은 귀환 역방향 전달 광선신호들 사이의 상대 위상 전이를 검출하기 전에 행해져야 한다.

또한, 이 모든 방법들은 루우프내의 역방향 전달 광선신호의 편광을 선택된 편광으로 제어 및 조정하는 단계를 포함할 수도 있다.

양 Q를 감지하는 모든 방법들은 루우프내에 q(t)를 인가하기 전에 신호 q(t)를 발생시키도록 바이어스 또는 반송파 주파수로 양 Q를 변조시키는 단계를 포함할 수도 있다.

양 Q는 변환기에 직접 인가되어 변환 속도가 감지된다.

예를 들어, 양 Q는 주변 온도일 수 있고, 신호 q(t)는 시간에 따라 변하는 온도 측정치일 수 있다.

이때 신호 q(t)는 간섭계에 영향을 미치게하여 재결합 광학적 신호의 검출가능한 변화를 발생시키기 위해 광학적 코일내의 1개 이상의 작은 세그먼트에 비대칭적으로 인가된다.

상술한 장치이외에도, 변환기(70)은 전자-광학적, 압전 또는 자기 왜(magnetostrictive)장치일 수도 있다.

지금까지 감지된 양 Q를 검출하기 위해 폐쇄 루우프 광 간섭계를 포함하거나 사용하는 감지기의 다수의 실시예에 대해 기술하였다.

각각의 실시예에서, 감지된 양은 폐쇄 루우프에 관련하여 공간적으로 불균일하게 된다.

전체 코일이 감지기 소자로서 사용될 수 있고, 양은 코일상에 비대칭적으로 비치된 1개 이상의 지점에 인가될 수 있다.

본 명세서에는 본 발명의 양호한 실시예에 대해 기술하였으나, 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명의 원리를 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 여러 가지로 수정 및 변경할 수도 있다.

Claims (38)

1. 폐쇄 루우프 광학적 간섭계를 포함하고, 광섬유내의 미시적 척도에서의 가역적 효과를 발생시키는 시간에 따라 변하는 양을 감지하기 위한 장치에 있어서, 루우프에 대해 반대방향으로 제1 및 제2광선파를 전달하기 위한 광섬유의 폐쇄 루우프(24,46,72), 상기 광선파를 발생시키기 위한 광원(32), 상기 광원(32)로부터의 광선 신호를 상기 제1 및 제2광선파로 분할하고, 상기 제1 및 제2광선파가 상기 루우프(24,46,72)를 통해 역방향으로 전달되도록 상기 제1 및 제2광선파를 상기 루우프(24,46,72)에 광학적으로 결합시키기 위한 결합기(38), 및 상기 제1 및 제2역방향 전달 광선파들 사이의 위상차를 검출하기 위한 검출기(40)을 포함하고, 상기 루우프(24,46,72)가, 사용시에, 감지될 양이 루우프주변의 경로의 중앙 지점으로부터 떨어져 있는 한 지점에 인가되도록 배치되어 검출기(40)에 동시에 도달하는 역방향 전달 광선파 부분이 상기 양이 상이한 값에 의해 영향을 받아 상기 역방향 전달 광선파들 사이에서 위상 전이를 발생시키도록 감지된 양에 관련하여 전체적인 척도에 대해 루우프(24,46,72)를 비가역적으로 만드는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 검출기(40)이 상기 제1 및 제2역방향 전달 광선파의 간섭으로부터 발생하는 결합신호의 세기를 검출함으로써 위상차를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광원(32)가 선택된 편광 광선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 광원(32) 및 상기 검출기(40)이 선택된 편광을 양방향으로 통과시키고 그 밖의 다른 모든 광선을 통과시키지 않는 편광기(36)에 결합되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 루우프(24,46,72)가 상기 제1 및 제2역방향 전달 광선파의 편공을 통과시키는 편광기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 루우프(24,46,72)가 코일을 형성하기 위해 복수의 권선을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 압축형 음향 파두(28)과 희박형 음향파두(30)을 감지하기 위해, 상기 코일(24,46)이, 역방향 전달 광선파들 중 한 광선파가 상기 코일(24,46)을 통해 전달되는 중에 상기 음향파(26,47)의 압축형 파두(28) 또는 희박형 파두(30)을 배타적으로 노출시키고, 역방향 전달 광선파들 중 다른 광선파가 코일(24,46)을 통해 전달되는 중에 압축형 파두(28)과 희박형 파두(30)를 노출시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 코일(25)가 다수의 권선을 갖고 있는 광섬유에 의해 형성되고; 상기 권선의 직경과 상기 코일들 사이의 간격이 상기 코일(24)의 종방향 축(X)밑으로 상기 제1의 광선파가 진행하는 것과 동일한 축 속도로 진행하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 간격이 상기 코일(24)의 조정 권선들 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제7항에 있어서, 상기 권선이 음파(26,27)의 전달 방향(X)에 수직하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제7항에 있어서, 상기 코일(46)이 광섬유의 제1 및 제2의 광학적으로-상호 접속된 코일(C1,C2)로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1코일(C1)이 상기 제2코일(C2)로부터 공간적으로 분리되므로, 상기 제1의 광선파가 상기 제1코일(C1)을 통해 먼저 전달된 다음 상기 제2코일(C2)를 통해 전달되고, 상기 코일(C1과 C2)사이의 공간적으로 분리된 거리(d) 및 각각의 코일(C1,C2)내의 권선의 직경과 권선수가, 상기 제1광선파가 상기 제1코일(C1)을 통해 전달되는 동안과 같이 상기 제2코일(C2)를 통해 전달되는 중에 동일부분의 음파(47)에 노출되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 각각의 상기 코일(C1,C2)가 종방향 축(X)에 대하여 상기 광섬유의 권선수를 포함하고; 상기 권선이, 상기 코일(C1,C2)내의 상기 역방향 전달 광선파가 음파(47)의 면(60)과 평행한 면내로 진행하도록 상기 축(X)을 따라 격설되고, 코일(C1,C2)의 대응부분들 사이에서의 광학적 전달 기간이 상기 음향파(47)의 1/4주기에 해당하는 것을 특징으로 하는 장치.
14. 제12항에 있어서, 각각의 상기 코일(C1,C2)이, 상기 광선파의 전달 기간이 음파(47)의 선전된 량의 기간과 동일하도록 구성되고; 상기 코일(C1,C2)가, 각각의 코일(C1,C2)의 전달 기간이 음파(47)의 기간과 동일한 음파(47)의 파장과 동일한 량이 되도록 거리(d)만큼 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제13항에 있어서, 전달 광섬유(62)의 링크가 상기 코일(C1,C2) 사이에 배열되므로, 전달 광섬유(62)의 상기 링크내의 상기 광선파의 광학적 전달기간이 상기 코일(C1,C2) 사이의 상기 음파(47)의 전달 기간보다 빠른 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 코일(C1,C2) 사이의 상기 공간적으로 분리된 거리(d)가 음파(47)의 1/4파장과 동일한 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제14항에 있어서, 각각의 상기 코일(C1,C2)가, 각각의 상기 코일(C1,C2)를 통하는 상기 역방향 전달 광선파의 전달시간이 상기 음향파(47)의 1/4파장과 동일한 거리를 진행하는데 음파(47)에 필요한 기간과 동일하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제1항에 있어서, 양 Q를 감지하고, 상기 양 Q를 시간에 따라 변하는 신호 q(t)로 변형하기 위한 변조기(68), 및 상기 신호 q(t)를 상기 광섬유 루우프(72)의 광학적 전달 특성에 대응하도록 변환시키기 위한 변환기(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 변환기(70)이 상기 역방향 전달 광선파들 사이에서 검출된 위상차가 약 Q에 응답하여 변화하도록 상기 루우프(72)에 의해 형성된 광학적 경로의 중심부로부터 오프셋되는 상기 루우프(72)상의 한 위치에 배치된 위상 변조기(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제18항에 있어서, 편광기(36)이 선택된 편광 광선을 상기 루우프(72)내에 결합시키기 위해 광원을 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제18항에 있어서, 상기 신호 q(t)가 바이어스 신호로 변조된 양 Q인 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제18항에 있어서, 상기 신호 q(t)가 진폭이 변화하는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제18항에 있어서, 상기 변환기(70)이, 각각의 상기 제1 및 제2광선파가 상기 신호 q(t)의 존재시에 각각 진행하는 것에 비해서 상기 루우프(72)주변의 상이한 광학적 경로로 진행하도록 광섬유를 확장시킴으로써 위상 변조를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제18항에 있어서, 양 Q가 시간에 따라 신속하게 변하고, 신호 q(t)가 양 Q에 비례하여 변화하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제18항에 있어서, 상기 변환기(70)이 신호 q(t)에 응답하여 상기 광섬유의 복굴절성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제18항에 있어서, 상기 변환기(70)이 신호 q(t)에 응답하여 상기 제1 및 제2광선파의 전달 속도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제18항에 있어서, 상기 변환기(70)이 신호 q(t)에 응답하여 상기 제1 및 제2광선 신호의 상대 위상을 전이시키는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제20항에 있어서, 상기 변환기(70)이 신호 q(t)에 응답하여 상기 광섬유의 복굴절성을 변환시켜 상기 광선파 부분을 상기 선택된 편광 모우드에 직교하는 편광 모우드에 결합시키는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제28항에 있어서, 검출기(40)이 상기 선택된 편광 모우드와 직교 편광 모우드의 광선을 독립적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 광섬유의 미시적 척도에 대해 가역적 효과를 발생시키는 시간에 따라 변하는 양을 감지하는 방법에 있어서, 광학적 길이를 갖는 광학적 경로, 광선을 발생시키기 위한 광원(32), 반대 방향으로 상기 광학적 경로를 진행하는 제1 및 제2역방향 전달 광선파로 광선을 분기하기 위한 결합장치(38), 및 광학적 경로 길이를 진행한 후에 광선파들 사이의 위상차를 검출하기 위한 검출기(40)을 형성하는 광섬유의 루우프(24,46,72)로 구성된 광섬유 간섭계를 이용하는 단계, 상기 역방향 전달 광선파를 감지될 양에 노출시키는 단계, 상기 검출기(40)에 동시에 도달하는 역방향 전달 광선파 부분이 상기 양의 상이한 값에 의해 영향을 받도록 루우프주변의 경로의 중간 지점으로부터 오프셋되는 지점에 상기 양을 인가하여, 감지될 양을 나타내는 상기 역방향 전달파들 사이에서 위상 전이를 발생시키기 위해 감지된 양에 관련하여 전체적 척도에 대해 비가적인 간섭계를 만드는 단계, 및 상기 역방향 전달파들 사이에서 위상 전이를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
31. 제30항에 있어서, 감지될 양이 압축형 파두(28)과 희박형 파두(30)을 갖는 음파(26,47)를 포함하고; 상기 음파(26,47)의 압축형 파두(28) 또는 희박형 파두(30)에 상기 제1의 역방향 전달 광선파 부분을 배타적으로 노출시키는 단계 및 상기 음향파(26,47)의 압축형 파두(28)과 희박형 파두(30)에 상기 제1의 역방향 전달 광선파 부분에 대응하는 상기 제2의 역방향 전달 광선파 부분을 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제31항에 있어서, 상기 음파(26,47)이 상기 제1의 역방향 전달 광선파에 대해 보강 효과를 제공하고, 상기 음파(26,47)이 상기 제2의 역방향 전달 광선파의 상기 대응 부분에 대해 오프셋팅 효과를 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제31항에 있어서, 다수의 권선을 갖는 최소한 하나의 코일(24)을 통하는 상기 역방향 전달 광선파를 상기 광섬유 루우프내로 안내하는 단계, 상기 권선에 의해 형성된 면이 상기 음파(26)의 전달방향(X)에 수직이 되도록 상기 코일(24)를 배치하는 단계, 및 상기 2개 권선들 사이의 거리가 (a) 상기 2개의 전선들 사이의 음파(26)의 전달방향(X)를 따라 진행하는 역방향 전달 광선파들 중 하나의 광선파의 전달시간과, (b) 상기 2개의 권선들 사이의 음파(26)의 전달 방향(X)를 따라 진행하는 음파(26)의 전달시간과 일치시키도록 상기 권선을 격설시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
34. 제33항에 있어서, 상기 2개의 권선을 서로 인접하게 설치하는 것을 특징으로 하는 방법.
35. 제31항에 있어서, 상기 광학적으로-상호 접속된 코일(C1,C2)를 통하는 상기 역방향 전달 광선파를 상기 광섬유 루우프내로 안내하는 단계, 및 음파(47)의 전달방향(X)를 따라 진행하는 2개의 코일을 상기 음파(47)의 1/4 파장과 동일한 거리(d)만큼 공간적으로 분리시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 제35항에 있어서, 각각의 코일(C1,C2)의 원주 크기를 정하고, 각각의 코일을 통하는 역방향 전달 광선파의 전달 기간이 음파의 1/4주기와 동일하도록 각각의 코일내의 광섬유의 권선수를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
37. 제32항에 있어서, 상기 보강 효과가 상기 제1의 역방향 전달파의 상기 부분을 한 번 이상 상기 음파(26,27)의 동일한 1/4싸이클로 노출시킴으로써 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
38. 제30항에 있어서, 감지되는 양에 응답하여 신호 q(t)를 발생하는 단계, 및 상기 위상차가 양 Q에 응답하여 변하도록 상기 광학적 경로 길이의 중간지점으로부터 오프셋되는 상기 루우프상의 한 위치에서 루우프(72)의 광학적 특성의 변화에 대응하여 신호 q(t)를 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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