KR940001910B1 - 다중 권선 광섬유를 사용하는 음향-광학 주파수 전이기 - Google Patents

다중 권선 광섬유를 사용하는 음향-광학 주파수 전이기 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

다중 권선 광섬유를 사용하는 음향-광학 주파수 전이기
제1도는 단일 모우드 고복굴절성 광섬유의 2개의 직교 복굴절축을 도시한 단면도.
제2도는 이러한 광섬유의 편광 모우드들을 결합시키도록 광섬유 내의 응력을 받는 영역과 응력을 받지 않는 영역을 교대로 발생시키기 위해 릿지 구조물로 구성되는 편광 결합기를 개략적으로 도시한 부분 단면도.
제3도는 광섬유 내의 대응하는 응력을 받는 영역과 응력을 받지 않는 영역을 제공하는 진행 음파의 파면에 의해 야기된 압축 및 희박 영역을 도시한 광학 섬유의 축을 따르는 거리-대-음압의 그래프.
제4도는 소정의 각도로 광섬유를 음향적으로 접촉시키도록 제공된 음향 변환기에 의해 발생된 음파면을 도시하고, 음파를 광섬유의 비트 패턴에 적합하게 위상 정합시키기 위해 광섬유를 따라 측정된 바와 같이 인접 파면들 사이의 거리가 광섬유의 비트 길이와 동일하도록 각도가 선택되어야 한다는 것을 나타내는, 광섬유 및 음향 변환기의 개략도.
제5도는 음파를 광섬유의 비트 패턴에 적합하게 위상 정합시키는데 필요한 입사각, 비트 길이 및 음파의 파장 사이의 관계를 도시한 도면.
제6도는 작은 입사각이 매우 높은 음향 주파수를 사용하게 하여, 이에 대응하여 고주파수 전이를 발생시키는 것을 도시한, 입사각의 함수인 음향 주파수의 그래프.
제7도는 광섬유가 일정한 핏치로 나선형으로 감겨진 고체 원통형 로드, 및 이 로드의 종방향으로 진행하는 벌크 음파를 발생시키기 위해 로드의 한 단부에 있는 벌크와 변환기를 도시한 본 발명의 양호한 실시예의 측면도.
제8도는 벌크 음파의 희박 및 압축 영역에 의해 야기된 로드의 표면상의 영향을 도식적으로 도시한 제7도의 고형 로드의 개략적인 부분 단면도.
제9도는 로드가 공동이고 변환기가 로드 내에 표면 음파를 발생시키는 방사상-폴 압전 장치인 제7도에 도시된 장치의 다른 실시예의 부분 사시도.
제10도는 방사상-폴 변환기에 의해 발생된 표면 음파의 표면 파동을 도시한 제9도의 실시예의 부분 단면도.
제11도는 광섬유와 로드 사이의 삼각법적 관계를 도시한 제7도의 실시예의 광섬유의 권선을 도시한 도면.
제12도는 본 발명의 바람직한 실시예에 사용된 바와 같이 타원형 코어를 갖고 있는 D자형 광섬유의 단면도.
제13도는 본 발명의 주파수 전이기가 단일 측파대 변조기로서 사용될 수 있는 배열을 도시한 개략도.
제14도는 장방형 로드 및 다수의 연부 접착 변환기를 사용하는 본 발명의 다른 실시예의 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 46, 200, 260 : 광섬유 12, 266 : 코어
14, 242, 262 : 피복물 20 : 릿지 구조물
22, 24, 26 : 릿지 28 : 기부블럭
30 : 음파 46, 204, 224 : 변환기
48 : 중심축 202, 222 : 로드
210 : 압축 영역 212 : 희박 영역
278 : 렌즈 280 : 편광기
본 발명은 음향-광학 주파수 전이기에 관한 것으로, 특히 표면 음파 또는 벌크(bulk) 음파를 사용하는 광섬유 주파수 전이기에 관한 것이다.
전형적으로, 광학 주파수 전이는 도플러 효과(Doppler effect), 즉 소오스와 관찰자 사이의 상대 운동으로 인한 주파수 변화에 기초를 둔다. 소오스가 관찰자를 향해 이동할 때 주파수는 높아지고 파장은 짧아지며, 소오스가 관찰자로부터 멀리 이동할 때 주파수는 낮아지고 파장은 길어진다.
도플러 효과는 광학적으로 투명한 벌크 매체를 통해 전달되는 음파의 파면으로부터 반사된 광파들내의 주파수 전이를 야기시키도록 벌크 광학 장치내에 사용되어 왔다. 진행 음파에 의해 야기된 압축 및 희박 영역은 인입 광선이 반사 및 굴절되도록 벌크 매체 내의 굴절률을 변화시킨다. 음파면의 이동은 반사 및 굴절된 광선내의 도플러 전이를 야기시키므로, 광선은 음파의 주파수와 동일한 크기만큼 주파수가 전이된다.
벌크 광학 주파수 전이기들은 공지되어 있지만, 광섬유 주파수 전이기의 개발은 미비한 상태이다. 최근에, 기초적인 광섬유 주파수 전이기에 대해 1983년 6월 27-30일에 도꾜에서 개최된 제47차 집적 광학 장치 및 광섬유 통신 국제 회의에서 노수(Nosu) 등이 발표한 "단일 모우드 광섬유용 음향-광학 주파수 전이기"란 논문, 및 전자공학지(1983. 9. 29) 제19권, 제20호에 기술되어 있다. 복굴절성 단일 모우드 광섬유는 오프-축(off-axis) 위치내의 압전(PZT) 실린더내에 배치되었다. 각각의 PZT 실린더는 광물성 기름으로 채워졌다. 실린더가 광섬유의 편광 모우드들 사이를 탄성-광학 결합시키도록 정현파 신호들로 여기될 때 각각의 실린더 내에 정재 압력파(standing pressure wave)가 발생하므로, 광학 캐리어(carrier) 이상 및 이하에서 측파대를 발생시킨다. 각각의 실린더는 다른 실린더에 의해 발생된 측파대와 동상인 한 측파대 및 이상인 다른 측파대를 발생시키므로, 한 측파대는 강화되었고 다른 측파대는 상쇄되었다.
그러므로, 노수의 장치는 광섬유에 압력을 가하여 광섬유를 따라 불연속 간격, 상세하게 말하자면 광섬유의 3/4 비트 길이의 간격이 되도록 작용한다. 노수의 장치로 얻을 수 있는 최대 주파수 전이는 PZT 실린더가 실제로 구동될 수 있는 최대 비율과 동일하다. 또한, 각각의 결합 지점, 즉 각각의 PZT 실린더에서 편광 모우드들 사이에 결합된 전력량은 매우 적으므로, 상당한 전력량을 결합시키기 위해 다수의 이 PZT 실린더들이 필요하게 되어, 그 결과 광섬유 시스템 내에 사용하기에는 매우 부피가 크고 일반적으로 비실용적인 장치가 된다.
"단일 모우드 광섬유 단일 측파대 변조기"란 명칭의 제0144190호로 공고된 유럽 특허출원 제84308010.2호에 기술된 바와 같이, 주파수 전이에 대한 선택적인 방법은 광섬유의 길이를 따라 종방향으로 전파시키기 위해 실제 음파(표면과 또는 벌크파)를 발사시키는 것이다. 이 방법은 노수의 장치의 일정한 거리를 둔 간격의 불연속 정적 결합 지점들과는 반대로, 광학 섬유의 길이를 따라 진행하는 연속적인 실질적으로 무한한 수의 결합 지점들을 제공한다는 장점을 갖고 있다. 또한, 실제 음파는 노수의 PZT 실린더가 구동될 수 있는 주파수보다 더 높은 주파수에서 발생될 수 있으므로, 이러한 실제 음파 장치는 노수의 장치보다 더 많이 주파수 전이를 할 수 있다.
실제 음파를 사용하는 음향-광학 주파수 전이기의 한가지 제한점은 모우드를 사이에서 최대 결합하기 위해 음파의 파장이 광섬유 비트 길이와 동일해야 한다는 것이다. 현재 시판중인 고복굴절성 광섬유의 경우에, 최소 비트 길이는 1㎜ 정도이다. 1㎜의 음파의 파장은 약 1-5㎒의 음향 주파수에 대응한다. 따라서, 실제 음파를 사용하지만 최대 가능 주파수 전이가 광섬유의 비트 길이에 제한되지 않도록 이 제한점을 제거시킨 광섬유 주파수 전이기가 본 분야에 필요하다.
"음향-광학 주파수 전이기"란 명칭의 제0153124호로 공고된 유럽 특허출원 제85300904.1호내에는, 음파의 파면들이 90°보다 작고 0°보다 큰 입사각으로 광섬유에 음향학적으로 접촉하도록 광섬유에 대해 음향 변환기가 배치된 광섬유 주파수 전이기에 대해 기술되어 있다. 음파의 파장은 광섬유 비트 길이와 입사각의 싸인(sine)을 곱한 값과 실질적으로 동일하다. 그러므로, 입사각은 고주파수 음파의 짧은 파장이 광섬유의 비트 길이와 정합될 수 있도록 선택될 수 있다. 결과적으로, 최대 가능 주파수 전이는 상당히 증가될 수 있다.
본 발명은 광학 주파수 내의 큰 전이를 달성하지만 음향 신호로부터의 거의 모든 에너지를 사용하는 간편한 음향-광학 주파수 전이기를 제공함으로써, 유럽 특허출원 제85300904.1호에 기술된 기본 개념을 개량한 것이다.
본 발명에 따르면, 음파를 전파시키기 위한 음향 전도 매체, 및 제1 및 제2속도로 중심축을 따라 광선을 각각 전파시키는 제1 및 제2모우드들을 갖고 있는 광섬유로 구성되는 광학 섬유 주파수 전이기가 제공되는데, 상기 광섬유는 다수의 광섬유 권선을 제공하도록 상기 음향 전도 매체 주위에 감겨지고, 상기 각각의 권선에 있어서 광섬유의 최소한 일부는 상기 매체와 음향 접촉하도록 배치되어 있고, 상기 광섬유의 상기 각 부분은 전이기가 사용중일 때 각 부분에 있어서 광섬유의 중심축이 음파의 전파 방향에 대해 0°보다 크고 90°보다 작은 입사각을 이루도록 배치된다.
또한, 본 발명은 중심축 및 2개의 전파 모우드를 갖는 광섬유의 다수의 권선을 통해 제1주파수로 광학 신호를 전파시키는 단계, 및 상기 광섬유의 중심축에 대해 상기 음향 신호의 파면들의 입상각이 0°보다 크고 90°보다 작게 되도록 상기 권선 부분과 접촉시키기 위해 음향 전도 매체를 따라 음향 신호를 보내는 단계를 포함하고, 상기 광섬유는 음향 전도 매체와 음향 접촉하는 상기 각 권선들의 최소한 일부를 갖도록 감겨져 있고 상기 광섬유에 응력을 가하는 음향 신호는 2개 모우드들중 하나의 모우드 내에서 전달되는 상기 광학 신호의 광학 에너지를 상기 모우드들 중 다른 모우드로 변환시켜 제2주파수로 주파수가 전이되도록 하는 것을 특징으로 하는 광학 신호의 주파수 전이 방법을 제공한다.
본 발명은 광섬유, 및 음향 신호를 전달하기 위한 음향 전도 매체를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 음향 전도 매체는 로드(rod) 형태로 되어 있고, 음향 신호는 이 로드의 종방향으로 전파된다. 광섬유는 이 광섬유의 중심축이 음향 신호의 파면들에 대해 소정의 각도를 이루도록 다수의 권선이 로드 주위에 감겨진다. 이후부터는, 이 각도를 "입사각"이라 부르겠다.
광섬유의 다수의 권선 전체에 걸쳐 연속적인 음향 접촉을 제공하는 것이 바람직하지만, 광섬유의 다수의 권선들의 최소한 일부, 바람직하게는 광섬유의 각각의 권선이 로드와 음향 접촉하도록 배치된다. 음향 신호가 로드를 통해 전파될 때, 이것은 로드와 접촉하는 광섬유 부분들 상에 응력을 야기시킨다. 음향 신호의 파면들에 대한 광섬유의 각은 음향 신호의 파장이 광섬유 내의 광학 신호의 비트 길이와 입사각의 싸인을 곱한 값과 실질적으로 동일하도록 선택된다.
광섬유는 이 광섬유 내에서 전파되는 광학 신호를 하나 또는 두 개의 전파 모우드로 전파시키도록 선택된 물리적 파라메터(parameter)를 갖고 있다. 이 전파 모우드들은 단일 모우드 복굴절성 광섬유의 2개의 편광 모우드 또는 비복굴절성 광섬유의 제1 및 제2 차수 모우드로 구성될 수 있다. 광학 신호가 로드에 의해 전파되는 음파와 음향 접촉이 하는 광섬유의 부분을 통과하면, 음파에 의해 야기된 광섬유 상의 응력은 광섬유의 전파 모우드들 간에 광학 에너지를 이송시킨다. 이송된 에너지에 의해 음향 신호의 주파수만큼 주파수 전이된다. 그러므로, 본 발명의 장치는 한 주파수의 광선을 다른 주파수의 광선으로 변환시킨다.
음파는 벌크파 또는 표면파로 구성될 수 있다. 로드를 통해 진행하는 벌크 음파 또는 로드상에서 진행하는 표면 음파는 광섬유를 음향적으로 접촉시키고 각각의 음향 접촉 지점에서 광섬유내의 시변(time-varying) 응력을 야기시키는 로드의 표면 진동을 야기시킨다. 다른 측면에서 고찰하면, 응력의 특정 지점은 시간에 따라 변하지 않지만, 입사각에 따라 변하는 전파 위상 속도로 광섬유를 통하여 진행하는 것으로 볼 수 있다. 응력은 광학 신호의 2개의 전파 모우드들 간에 에너지를 이송시켜 준다. 음파의 소정의 전파 거리에 대해서, 광섬유를 다수 권선하면 음파가 단일의 직선 광섬유를 따라 전파될 경우에 이송되는 것보다 상당히 많은 양의 에너지가 이송된다.
바람직한 실시예에 있어서, 광섬유는 이 광섬유와 음파의 입사각이 일정하도록 음향 매체 상에 감겨진다. 입사각이 일정한 경우에, 음향-광학 주파수 전이기는 비교적 좁은 범위의 음향 주파수에 응답한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 광섬유 상의 음파의 입사각은 광섬유의 상이한 부분들을 음파의 전파 방향에 대해 상이한 핏치(pitch)로 감음으로써 변화될 수 있다. 그러므로, 광섬유 부분들은 상이한 음향 주파수에 응답할 수 있다. 권선 핏치는 광대역 주파수 전이기를 제공하기 위하여 선형적으로 변하도록 할 수 있다. 다른 실시예에서, 권선 핏치는 불연속 음향 주파수에 응답하는 주파수 전이기를 제공하도록 불연속 간격으로 변화될 수 있다.
이제부터, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 이 특징들 및 그 외의 다른 특징들에 대해서 상세하게 기술하겠다.
본 발명의 동작 이론에 대해 먼저 기술한 다음, 본 발명의 실시예들의 물리적 구조에 대해 설명하겠다. 복굴절성 광섬유 내의 주파수 전이의 이론에 관한 추가적인 정보는 광학지(1984. 7), 제9권, 제7호, 309-311페이지의 더블유. 피. 리스크(W. P. Risk)등이 쓴 "복굴절성 광섬유 내의 음향-광학 주파수 전이 방법 및 장치"란 논문, SPIE, 제478권, 광학 섬유 및 레이저 감지기 Ⅱ(1984. 5), 91-97페이지의 더블유. 피. 리스크등이 쓴 "복굴절성 광섬유 내의 단일 측파대 주파수 전이 방법 및 장치"란 논문, 및 IEEE의 양자 전자공학 그룹(Quantum Electronics Group) 및 미합중국 광학 협회(Optical Society of America)가 후원하여 플로리다(Florida)에서 개최된(1984. 4. 24-26) 집적 및 유도파 광학 회의에서 더블유. 피. 리스크등이 발표한 "음향-광학 복굴절성 광섬유 주파수 전이기"란 논문에 기술되어 있다.
본 발명의 주파수 전이기는 제1도에 도시된 바와 같이, 비교적 높은 굴절률의 중심 코어(12) 및 비교적 낮은 굴절률의 주위 피복물(cladding : 14)를 갖고 있는 복굴절성 단일 모우드 광섬유(10)을 사용한다. 공지된 바와 같이, 복굴절성 광섬유는 광섬유를 통하여 편광 모우드 또는 광학 경로에 각각 대응하는 2개의 복굴절성 수직 주축(principle axes)을 갖고 있다. 이 축들은 제1도에 X 및 Y로 표시되어 있다. 이 2개의 축들 중의 어느 한 축을 따라 선형으로 편광된 광선은 광섬유를 통하여 전파될 때 계속 선형으로 편광된 상태로 남아 있다. 일반적으로, 어떠한 편광을 갖는 광선도 이 2개의 선형 편광 모우드들의 중첩으로 간주될 수 있다.
복굴절성 단일 모우드 광섬유의 2개의 편광 모우드들은 약간 상이한 속도로 광선을 전파시킨다. 그러므로, X-축 모우드내의 광선의 위상은 광선이 광섬유를 통하여 전파될 때 Y-축 모우드내의 광선의 위상과 상대적으로 변하게 된다. 한 모우드내의 광선은 다른 모우드내의 광선에 대해 360°만큼 위상의 차이가 나도록 하는데 필요한, 광섬유를 따라 종방향으로 측정된 거리를 통상적으로 광섬유의 "비트 길이"라고 부른다. 수학적으로, 이 비트 길이는 다음과 같이 정의될 수 있다.
L=
Figure kpo00001
(1)
여기서, L은 비트 길이이고, λ는 광선의 파장이며, Δn은 2개의 편광 모우드의 굴절률의 차이이다.
식 (1)로부터, 비트 길이는 모우드들 사이의 굴절률의 차이에 반비례하므로, 광섬유의 복굴절성에 반비례한다는 것을 알 수 있다. 결국, 보복굴절성 광섬유는 저복굴절성 광섬유보다 짧은 비트 길이를 갖는다. 바람직한 실시예의 광섬유(10)은 1㎜ 정도의 비트 길이를 갖고 있는 고복굴절성 광섬유이다. 고복굴절성 광섬유를 제조하기 위한 하나의 통상적인 기술은 제1도에 코어(12)로 도시된 바와 같이 코어가 타원 형태를 갖도록 광섬유를 뽑아내는 것이다.
고복굴절성 광섬유는 편광 모우드들이 양호하게 결정되고 따라서, 인가 광선의 편광이 모우드들 간의 유효한 광선 결합없이 비교적 긴 광섬유 길이에 걸쳐 유지된다는 장점을 갖는다. 그러므로, 고복굴절성 광섬유의 편광 모우드들은, 광섬유를 통하는 독립적인 광학 경로들로서 간주될 수도 있으며, 이러한 독립적인 광학 경로들은 통상적으로 결합이 일어나지 않아 광선이 광학 경로들 간에 이송되지 않는다.
유럽 특허출원 제84307920.3호(공고 제0143583호)와 제84308010.2호 및 광학지(1983. 12), 제8권, 제12호, 656-658페이지의 "복굴절성 광섬유 편광 결합기"란 논문에 기술된 바와 같이, 복굴절성 주축에 대해 약 45°의 각도로 복굴절성 광섬유에 힘을 인가시킴으로써 복굴절성 단일 모우드 광섬유의 편광 모우드들 사이에 광선을 선택적으로 결합시킬 수 있다. 이러한 힘은 광학 섬유의 대향축들 상의 2개의 모루(anvil) 또는 판들 사이에 광섬유를 압착시킴으로써 인가될 수 있다. 이러한 힘을 인가하면 힘이 가해진 지점에서 복굴절성 축을 섭동시키게 되어, 복굴절성 축이 작은 각도로 회전되게 한다. 그 결과, 한 선형 편광 모우드내에 발사된 광선이 국부화된 섭동에 도달하면, 광선은 복굴절성 섭동축을 따라 선형 편광된 모우드들의 중첩부로 분해되어, 광선을 한 편광 모우드로부터 다른 편광 모우드로 효율적으로 결합시키게 된다. 이 결합된 광선은 광섬유내의 응력이 정적이고, 광섬유를 통하여 진행하지 않기 때문에 주파수가 전이되지 않는다.
상술한 설명은 간격을 두고 배치된 다수의 릿지(22, 24, 26)으로 구성되는 릿지 구조물(20)을 개략적으로 도시한 제2도를 참조함으로써 더욱 완전하게 이해할 수 있다. 광섬유(10)은 릿지(22, 24, 26)과 기부 블럭(28)사이에 배치되므로, 광섬유(10)은 이들 사이에서 압착될 수 있다. 광섬유(10)의 축에 수직한 방향으로 릿지 구조물(20)에 힘을 인가하면, 각각의 릿지(22, 24, 26)에서의 복굴절성 축이 섭동되고, 광섬유(10)의 2개의 편광 모우드들 사이를 결합시키는 응력을 받은 영역과 응력을 받지 않은 영역이 광섬유(10)을 따라 교대로 제공된다. 모우드들 간의 결합이 최대가 되기 위해, 릿지(22, 24, 26)이 비트 길이 간격으로 배치되고 각각의 릿지들의 길이가 1/2 비트 길이가 되는 것이 바람직하다. 이 조건들을 만족시키면, 각각의 릿지(22, 24, 26)에서의 결합은 다른 릿지(22, 24, 26)에서의 결합과 누적된다. 충분한 수의 릿지(22, 24, 26)을 제공함으로써, 편광 모우드들 중의 하나의 편광 모우드로 입력된 광선의 100%가 다른 편광 모우드와 결합될 수 있다. 이 결합 현상에 대한 더욱 완전한 설명은 본 명세서에서 참고 문헌으로 포함되어 있는 상술한 논문 및 특허 출원에 기술되어 있다.
제2도의 릿지 구조물(20)에 의해 교대로 제공된 응력을 받은 영역과 응력을 받지 않은 영역은 광섬유(10)의 중심축을 따라 종방향으로 전파되도록 발사되는 제3도의 음파(30)과 같은 실제 진행 음파에 의해 선택적으로 제공될 수 있다. 주기성을 갖는 진행 음파(30)은 광섬유 내에 압축 영역과 희박 영역을 교대로 제공하여 응력을 받은 영역과 받지 않은 영역을 교대로 제공하고, 광섬유의 편광 모우드들 간의 결합을 일으킨다. 최대 결합을 위해, 음파(30)의 파장이 광섬유의 비트 길이와 동일하도록 선택되는 것이 바람직하다. 음파가 정현파이기 때문에, 각각의 압축 영역과 희박 영역의 길이는 1/2 비트 길이로 되므로, 각각의 응력을 받는 영역과 응력을 받지 않는 영역의 길이도 1/2비트 길이로 된다. 상술한 설명으로부터, 제3도의 음파(30)은, 광섬유를 따라 1/2 비트 길이의 응력을 받는 영역과 응력을 받지 않는 영역을 교대로 제공함으로써, 제2도의 1/2 비트 길이 릿지(22, 24, 26)과 동일한 방식으로 광섬유의 편광 모우드들 사이에 광선을 누적하는 방식으로 결합시킨다는 것을 알 수 있다. 또한, 광섬유 비트 길이와 동일한 음파의 파장이 최대 결합용으로 바람직하며, 또한 파장이 비트 길이의 홀수배이면 누적 결합이 일어나게 된다는 것을 알아야 한다.
릿지(22, 24, 26)에 의해 발생된 광섬유 응력이 정적 상태로 있는 제2도의 릿지 구조물(20)과는 반대로, 제3도의 진행 음파(30)에 의해 발생된 광섬유 응력 패턴은 광섬유를 통하여 진행한다. 응력 패턴의 이러한 진행은 한 편광 모우드로부터 다른 편광 모우드로 결합된 광선을 이동 소오스로부터의 광선이 도플러 전이되는 것과 마찬가지로 주파수를 전이시킨다. 실제로, 광학 캐리어파 및 음파는 헤테로다인(heterodyne) 방식으로 되어 음향 주파수 및 광학 캐리어 주파수는 합 주파수 및 차 주파수에서 측파대를 제공하도록 가산 및 감산적으로 결합한다. 음파가 광선과 동일한 방향으로 전파되면, 빠른 편광 모우드에서 느린 편광 모우드로 결합된 광선은 주파수가 상향 전이되지만, 느린 편광 모우드에서 빠른 편광 모우드로 전파되는 광선은 주파수가 하향 전이된다. 음파가 광학 캐리어의 방향과 반대 방향으로 전달되면, 이 관계들은 역으로 되어, 빠른 모우드에서 느린 모우드로 결합된 광선은 주파수가 하향 전이되고, 느린 모우드에서 빠른 모우드로 결합된 광선은 주파수가 상향 전이된다.
주파수 전이 결합은 음파가 광섬유 내의 광학 모우드들의 비트 패턴에 적절하게 위상 정합되는 것을 필요로 한다. 제3도에서는, 이러한 위상 정합이(음파의 전달 방향이 아닌), 광섬유의 축을 따라 측정된 바와 같이, 음파의 파장이 광섬유의 비트 길이와 동일할 때 생긴다. 빠른 모우드(저굴절률), 느린 모우드(고굴절률) 및 음파의 전달 상수는 다음의 관계식을 만족시켜야 한다.
k1+ka=k2(2)
여기서, k1은 빠른 모우드의 전파 상수이고, k2는 느린 모우드의 전파상수이며, ka는 광섬유를 따르는 음향 전파 상수의 성분이다.
편광 모우드들 사이의 광선의 주파수 전이 결합은 빠른 광학 모우드내의 광선을 cos(ωt-k1z)로 표시함으로써 수학적으로 검사될 수 있는데, 여기서, ω는 광선의 각 주파수이고, t는 시간이며, z는 광섬유 축을 따르는 거리이다. 음파는 cos(ωat-kaz)로 표시될 수 있는데, 여기서, ωa는 음파의 각 주파수이다. 이 2개의 파들의 상호 작용은 결과적으로 다음 식에 비례하는 항이 된다.
1/2{cos[(ω+ωa)t-(k1+ka)Z]+cos[(ω-ωa)t-(k1-ka)Z]} (3)
식(3)의 제2항은 식(2)의 위상 정합 조건을 만족시키지 못하므로, 이 항으로 표시된 신호는 상쇄되는 것으로 예상된다. 그러나, 제1항은 식(2)에 따라 느린 모우드에 위상 정합되고, 느린 모우드가 상향 전이된다는 것을 명확히 나타낸다. 이와 유사하게 분석하면 느린 모우드가 음파와 상호 작용한는 경우에 최종적인 상호 작용식이 다음과 같이 표시된다.
1/2{cos[(ω-ωa)t-(k2-ka)Z]+cos[(ω+ωa)t-(k2+ka)Z]} (4)
식(4)의 제2항은, 식(3)의 제2항과 같이, 위상 정합되지 않지만, 나머지 항은 식(2)에 따라 빠른 모우드에 위상 정합되고 하향 전이파를 명확히 나타낸다.
그러므로, 상술한 해석으로부터, 상부 측파대는 하나의 편광내에 포함되고, 하부 측파대는 다른 편광내에 포함된다는 것을 알 수 있다. 바람직한 측파대는 출력 광선을 편광기를 통해 통과시킴으로써 선택될 수 있다.
상술한 위상 정합 필요 조건은 파면이 광섬유 축에 수직인 상태로 음파가 광섬유를 통하여 종방향으로 전파되는 경우에, 음파의 주파수는 파장의 광섬유 비트 길이와 동일한 것이어야 한다는 것을 나타낸다. 광섬유 비트 길이는 전형적으로 약 1㎜ 이상이기 때문에, 이러한 종방향으로 전파되는 음파로부터의 최대로 가능한 주파수 전이는 단지 수 ㎒ 정도이다.
제4도는, 예를 들어, 화살표(43)으로 표시된 바와 같이, 고복굴절성 단일 모우드 광섬유(46)의 중심축(48)과 소정의 각도를 이루는 방향으로 전파되는 음파(42)를 발생시키도록 음향 변환기(40)을 배치시킴으로써 이 제한점을 제거하는 주파수 전이기를 도시한 것이다. 이러한 배치는 파(42)의 파면(44)는 본 명세서에서 "입사각"이라고 부르는 각 θ로 고복굴절성 단일 모우드 광섬유(46)에 음향학적으로 접촉되게 한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "입사각"이란 용어는 광섬유 상에 충돌하는 음파의 파면과 이 광섬유의 종방향 중심축(48) 사이의 예각으로 정의된다. 음파(44)의(전파 방향(43)에서 측정되는) 파장 λa및 입사각 θ는 인접 파면(44)들이 광섬유 축(48)을 따르는 한 방향으로 측정되는 하나의 광섬유 비트 길이 L만큼 간격을 두고 배치되도록 바람직하게 선택된다. 파면(44)의 이 비트 길이 간격은 상술한 위상 정합 조건을 만족시키므로, 광섬유 축(48)을 따르는 음파의 전파 성분은 상기 식(2)를 만족시키게 된다. 이 배열은 종방향 전파 음파의 경우보다 더 짧은 음파의 파장을 사용할 수 있으므로, 더 높은 음향 주파수를 사용할 수 있지만, 여전히 위상 정합 조건을 만족시킨다. 제5도에 도시된 바와 같이, 간단한 삼각법은 위상 정합 조건이 다음과 같을 때 만족된다는 것을 나타낸다.
λa=Lsinθ (5)
따라서, 입사각 θ를 변화시킴으로써, 음파의 파장, 및 음향 주파수는 용이하게 변화될 수 있다. 식(5)는 다음과 같이 음향 주파수 ωa의 항으로 다시 표현될 수 있다.
ωa=
Figure kpo00002
(6)
여기서, Va는 방향(43)으로의 음파 전파 속도이다.
제6도는 음향 주파수와 입사각 사이의 관계를 그래프식으로 도시하고, 매우 작은 입사각(예를 들어, 몇도 또는 1°의 수 분의 1)의 경우에 사용된 음향 주파수가 매우 높게 될 수 있다는 것을 나타낸 것이다. 음향 주파수는 θ=90°일 때 (즉, 음파면들이 광섬유에 직각일 때) 최소로 된다. 예로서, 3°의 입사각은 광섬유의 비트 길이가 1㎜인 경우에 95㎒의 음향 주파수를 사용할 수 있게 한다.
또한, 제4도의 장치는 음파의 "전파 위상 속도"의 항으로 해석될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 "전파 위상 속도"란 용어는 파면(예를 들어, 파면(44)들 중의 한 파면)과 이 측정 축의 교차점이 이동하는 경우에, 특정 측정선(예를 들어, 방향(43) 또는 축(48))을 따라 측정된 속도로서 정의된다. 그러므로, 특정 파면(44)의 경우에, 이 파면은 선택된 측정축에 따른 "전파 위상 속도"를 갖게 된다. 선(43)을 따르는 전파 위상 속도는 파면이 이 선을 따라 이동하는 속도와 동일하다. 이와 마찬가지로, 광학 축(48)을 따르는 전파 위상 속도는 파면이 이 축을 따라 이동하는 속도이다. 전파 방향(43)으로의 음파의 전파 위상 속도는 입사각과 무관하다. 그러나, 광섬유 축(48)의 방향 내의 음파면의 전파 위상 속도는 입사각이 감소할 때 증가하고 입사각이 증가할 때 감소한다. 그러므로, 광섬유(46)에 대해 소정의 각도로 파(42)를 보냄으로써, 파면(44)의 전파 위상 속도는 전파 방향(43)보다 광섬유 축(48)을 따르는 방향에서 더 높게 된다. 일반적으로, 소전의 음향 전파 속도 및 주파수의 경우에, 입사각이 0°에 가까울수록 광섬유 축을 따르는 전파 위상 속도는 높아진다. 또한, 전파 위상 속도가 높을수록 음향 주파수는 높아질 수 있지만, 바람직한 위상 정합 조건들은 여전히 유지된다. 그러므로, 음파를 소정 각도로 광섬유로 보내면, 광섬유 축 방향으로 전파 위상 속도가 증가되므로, 고주파수 음향 신호가 비교적 긴 비트 길이를 갖고 있는 광섬유와 정합될 수 있다.
본 발명은 광섬유 축을 따르는 파면들의 경우에 비해 높은 전파위상 속도를 제공하므로 고주파수 전이를 달성하도록 음파를 소정각도로 광섬유에 보냄으로써 상술한 동작 이론에 근거를 두고 있다. 또한, 본 발명은 음향 에너지를 증가시킬 필요없이 모우드들 사이의 에너지 이송 효율을 증가시키기 위해 새로운 다중 권선 광섬유 구조를 사용한다.
제7도는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것이다. 복굴절성 고아섬유(200)은 광섬유가 핏치 간격 s만큼 떨어져 배치된 다중 권선을 통하여 표면(214)와 연속적으로 음향 접촉하도록 일정한 핏치각 θ로 음향 전도 매체(202)의 표면(214) 주위에 나선형으로 감겨진다. "핏치각"은 음향 전도 매체(202)의 종축에 직각인 평면에 대한 광섬유(200)의 각도이고, 다음에 설명하는 것과 같이 광섬유(200)상의 음향 표면파의 입사각과 동일하다. 이 바람직한 실시예에서, 음향 전도 매체(202)는 직경 D를 갖고 있는 원형 단면을 갖고 고체 로드이다. 이 로드는 바람직하게는 완전한 원형 실린더(right circular cylinder)( 즉, 이것은 균일한 직경을 갖고 있다)이다. 예로서, 로드(202)는 실리카 유리(silica glass)로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 광섬유(200)은 로드(202)상에 감겨 지는데, 작은 크기의 인장력이 광섬유(200)과 로드(202)간에 바람직하게 음향 접촉시키도록 광섬유(200)에 인가된다. 바람직하게는, 광섬유(200)은 에폭시 수지(epoxy glue)(도시하지 않음)와 같은 접착기질 또는 본 분야에 공지된 그 외의 다른 수단에 의해 로드(202)에 부착될 수 있다. 바람직하게는, 광섬유(200)에 수지가 고정되는 동안 인장력이 계속 가해진다.
벌크파 변환기(204)는 로드(202)의 한 단부에 부착되고, 화살표(206)으로 표시된 방향으로 전파되는 벌크음파를 발생시키도록 고주파수 발진 전압의 소오스(도시하지 않음)에 의해 작동된다. 도시된 실시예에서, 방향(206)은 로드(202)의 종축과 일치한다.
벌크파 변환기(204)는 전형적으로 1 내지 20㎒의 주파수 범위내에서 동작하는 PZT(납 지르코늄 티타네이트(lead zirconium titanate)) 디스크, 전형적으로 1㎒이하로부터 1㎓ 이상의 주파수 범위내에서 동작하는 리듐 니오베이트(lithium niobate, LiNbO2)디스크, 전형적으로 100㎒로부터 1㎓이상의 주파수 범위내에서 동작하는 산화아연 디스크, 또는 본 분야에 공지된 그외의 다른 변환기들일 수 있다. 발진 전기 신호가 압전 변환기(204)에 인가되면, 이 압전 변환기(204)는 벌크 음파를 발생시키기 위해 로드(202)의 종축 방향으로 팽창 및 수축한다. 화살표(206)으로 표시된 방향으로 고체 돌드(202)를 통해 진행하는 벌크 음파는 공간적으로 로드(202)에 주기적인 압축 및 희박 상태를 만든다. 본 분야의 통상의 지식을 가진 기술자들에게 공지된 바와같이, 로드의 공간적인 주기를 갖는 압축 및 희박 상태는 로드(202)의 표면 진동을 야기시킨다. 이 효과는 로드(202)의 짧은 세그먼트의 경우에 대해 제8도에 도시되어 있다. 압축 및 희박 영역은 가상선(208)로 도식적으로 도시되어 있는데, 여기서, 압축 영역은 영역(210)내에 밀접한 간격을 둔 선(208)로 도시되어 있고 희박 영역은 영역(212)내의 넓은 간격을 둔 선(208)로 도시되어 있다. 압축 영역(210)은 로드(202)의 표면(214)를 팽창시키고, 희박 영역(212)는 로드(202)의 표면(214)를 수축시킨다. 로드(202)의 표면(214)이 교대로 팽창 및 수축함에 따라 화살표(206)의 방향으로 로드(202)의 표면(214)를 따라 진행하는, 확대된 표면파(216)으로 도시된 진동을 야기시킨다. 로드(202)의 표면 (214)의 진동은 로드(202)의 표면(214)와 음향 접촉하도록 감겨진 광섬유(200) 상에 주기적인 응력을 야기시킨다. 이 응력은 제4도에 관련하여 상술한 방식으로 광섬유에 영향을 미친다.
화살표(206)으로 표시된 방향으로 전파되는 음파에 의해 야기된 진동은 광섬유(200)의 각 권선에 연속적으로 응역을 가한다. 그러므로, 다수의 밀접한 간격을 둔 권선으로 광섬유(200)을 로드(202) 주위에 감음으로써, 음파면은 권선들간의 비교적 짧은 거리를 진행하는 동안 광섬유(200)의 상당한 길이에 영향을 미칠 수 있다. 다시 제7도를 참조하면, 위치 A는 광섬유(200)의 한 권선의 개시부로서 생각될 수 있는 로드(202) 및 광섬유(200)상의 임의의 위치를 나타낸다. 광섬유(200)을 따라 한 바퀴 더 감으면 광섬유(200) 및 로드(202)상의 위치 B가 선택되고, 위치 B는 화살표(206)으로 표시한 방향으로 위치 A로부터 핏치 간격 S만큼 떨어져 있다, 로드(202)에 의해 제공된 음향경로를 따라 위치 A로부터 위치 B로 진행하는 음파면은 핏치 간격 S를 진행하게 되고, 위치 A와 위치 B사이의 광섬유(200)의 한 권선의 길이를 조사(照射)하게 된다. 그러므로, 광학축을 따라 측정된 위치 A와 위치 B사이의 광학 경로의 길이는 음향 전파 방향으로 로드를 따라 축방향으로 측정된 위치 A와 위치 B사이의 음향 경로보다 상당히 길다. 파면의 위치 B에서 시작되는 광섬유(200)의 권선을 조사한다음, 그 파면이 화살표(206)으로 표시된 방향으로 전파됨에 따라 광섬유(200)의 후속 권선을 조사한다. 그러므로, 각 파면의 각 부분은 다수의 각 권선의 일부 상에 응력을 가하게 함으로써, 2개의 전파 모우드들 간에 누적된 광학 신호 에너지의 이송을 제공한다. 본 발명은 광섬유(200)과 비교적 짧은 음향 전달 거리에 걸쳐 전파되는 음파면 간에 비교적 큰 음향 접촉량을 제공하는데 특히 유리하다. 그러므로, 본 발명의 장치는 매우 소형화될 수 있다. 더욱이, 음향로드는 음파면을 선정된 음향 경로에 강제로 유지시키기 위한 음향 채널을 제공한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 로드는 제9도에 도시된 로드(222)와 같이 중공관(hollow tube)으로 형성된다. 광섬유(200)은 제7도의 고체 로드(202)를 참조하여 상술한 바와 동일한 방식으로 중공(222) 주위에 감겨진다. 이 중공 로드(222)는 음파를 발생시키기 위해 한 단부상에 장착된 변환기(224)를 갖고 있다. 변환기(224)는 제7도를 참조하여 기술한 바와같은 벌크 파형으로 될 수 있다. 중공 로드(222)는 변환기(224)에 의해 발생된 벌크 음파가 중공 로드(222)의 관형 벽내에서 전파되므로, 음파가 고체 로드(202, 제7도)를 통해 전달된 경우보다 음향 에너지가 더욱 집속되어 매우 유리하다. 제9도는 중공 로드 실시예는 벌크 음파의 에너지의 상당한 부분이 광섬유(200)에 응력을 가하는 표면 진동으로 변환되도록 한다. 변환기(224)는 중공 원통형 로드(222)의 형태와 정합하도록 제9도에 도시된 바와 같이 와셔형(washer-shape)으로 될 수 있으므로, 로드(222)의 단부와 접촉되어 있는 압전 물질 상에만 전기 에너지를 집속시킨다.
제7도 및 제9도에 도시된 장치의 다른 실시예에서, 로드(202, 222)의 단부에 있는 변환기(204, 224)는 직접 표면 음파를 발생시키기 위해 연부 접착 변환기 또는 본 분야의 통상의 지식을 가진 기술자들에게 공지된 그외의 다른 장치로 구성될 수 있다. 표면파 변환기를 사용하는 것은 중공 원통형 로드(222)에 대해 제10도에 부분 단면도로 도시되어 있다. 예로서, 로드(222)의 한 단부에 부착된 변환기(224)는 방사상-폴, 연부 접착 압전 물질의 표면파 변환기로 구성될 수 있다. 제10도의 부분 단면도 내에 도시된 바와 같이, 방사상-폴 변환기(204)는 화살표(206)으로 표시된 방향으로 일방 전파되는 원통형 로드(222)의 표면(234)내의 진동(238)을 발생시킨다. 벌크 음파에 의해 야기된 표면 진동과는 달리, 제10도 내의 중공 원통형 로드(222)의 표면(234)의 진동은 방사상-폴, 연부 접착 변환기(224)에 의해 직접 발생된다.
방사상-폴 압전 변환기의 구조 및 동작은 본 분야에 공지되어 있다. 간단하게 말하면, 이러한 변환기는 가열된 다음 강한 전계의 존재시에 냉각되는 와셔형 PZT 물질로 구성될 수 있다. 이 경우에, 전계는 PZT 물질의 중심에 대해 대칭으로 된다, 본 분야에 공지된 바와같이, 이 물질이 냉각될 때, PZT 물질은 전계 방향으로, 즉 방사상으로 편광된다. 그러므로, 발진 전계(도시되지 않음)가 PZT 물질에 인가되면, 이 물질은 그반경을 따라 팽창 및 수축하므로, 직경 및 원주를 주기적으로 증가 및 감소시키게 된다. 제10도의 실시예에서, PZT 변환기(224)의 외부 원주(즉, 연부)는 로드(222)의 외부 원주에 접착된다. 그러므로, 변환기(224)의 팽창 및 수축은 상술한 바와 같이 화살표(226)으로 표시된 방향으로 전파되는 로드(222)의 표면 진동을 유도한다.
본 발명의 실시예에서는, 음파면들이 로드로 전달된 후 음파면들의 음향 에너지를 흡수하기 위해 블랙 왁스(black wax)와 같은 음향 흡수 물질(도시되지 않음)을 변환기(204, 224)에 대향한 로드(202, 224)의 단부에 배치시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 로드의 단부에서의 불연속성으로 인해 야기된 음파면들의 후방 반사들이 상당히 감소되거나 제거된다.
고체 원통형 로드(202) 또는 중공 원통형 로드(222)로 구성된 음향- 광학 주파수 전이기의 동작에 대한 상세한 설명은 제11도를 먼저 참조함으로써 쉽게 이해할 수 있다. 제11도는 광섬유가 로드(202)로부터 풀려진 제7도의 광섬유(200)의 한 권선을 도시하여 그 크기들간의 삼각 관계를 나타낸 것이다. 제11도의 위치 A 및 B는 일반적으로 제7도의 위치 A 및 B에 대응하고 광섬유(200)의 1개의 권선 길이의 개시부 및 종단부를 나타낸다. 제7도에 도시된 바와 같이, 광섬유의 각 권선은 권선의 "핏치 간격"이라고 불리는 거리 S만큼 로드(202)를 통하여 전진하면서 감겨진다. 각각의 권선 Lf(제11도)내의 광섬유의 길이는 핏치 간격 S 및 로드(202)의 직경 D에 의해 결정된다. 제11도에 도시된 바와 같이, 길이 Lf는 각각 밑면 S 및 높이 D를 갖는 삼각형의 빗면을 형성한다. 그러므로, 길이 Lf는 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
Figure kpo00003
제7도에 가장 잘 도시된 바와같이, 광섬유(200)은 본 명세서에서 "핏치 각" θ라고 부르는, 음파의 전파 방향(206)과 직각인 평면과 각을 형성한다. 바람직한 실시예에서, 핏치 각은 광섬유(200)상의 표면 음파의 파면들의 입사각과 동일하고, 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure kpo00004
제5도에 관련하여 논의된 식(5)로부터 다음과 같은 조건을 만족할 때 바람직한 위상 정합이 이루어진다는 것을 상기해야 한다.
λa=L sinθ (5)
여기서, L은 광섬유의 비트 길이이고, λa는 음파의 파장이다. 그러므로, 식(8)을 식(5)에 치환시키면, 음파의 파장이 다음 식으로부터 결정될 수 있다.
Figure kpo00005
그러므로, 상술된 식으로부터 다음과 같이 바람직한 위상 정합을 위한 음향 주파수가 결정될 수 있다.
Figure kpo00006
여기서, fa는 음향 주파수이고, Va는 로드(202)의 표면상이 음파속도이다.
예시적인 실시예에서, 음파 속도는 약 6,000m/sec로 될 수 있고, 로드(202)의 직경 D는 0.5인치(12.7㎜)로 될 수 있으며, 핏치 거리 또는 간격 S는 1.0㎜로 될 수 있고, 비이트 길이 L은 1.65㎜로 될 수 있다. 이 숫자들을 식(10)에 대입하면 다음과 같다.
Figure kpo00007
=145×106cycles/sec=145㎒
그러므로, 145㎒ 음향신호가, 광섬유(200)내에서 전파되는 광학 신호의 주파수를 145㎒ 만큼 전이시키도록 로드(202)를 통하여 전파될 수 있다.
광섬유(200)이 100미크론(즉, 0.1㎜)의 피복물 직경을 갖고 있다고 가정하면, 핏치 S는 인접 권선의 피복물이 접촉하고 있도록 권선함으로써 0.1㎜만큼 작게 될 수 있다. 0.1㎜를 식(10)내의 S에 대입하면, 기술된 실시예의 경우에 1450㎒의 이론적인 최대 주파수가 발생되어, 음향 변환기 및 로드의 음향 대역 폭의 한계에 영향을 미치게 된다. 이 주파수는 이론적으로 로드(202)의 직경을 증가시키거나 피복물의 직경이 더 작은 광섬유(200)을 대체시킴으로써 증가될 수 있다. 어느 경우에나, 이 장치는 지금까지 가능했던 것보다 상당히 더 높은 주파수 응답을 제공할 수 있다.
본 발명의 구조 형태는 각각의 파면이 비교적 짧은 음향 전달거리에 걸쳐 긴 길이의 광섬유를 조사하게 하므로, 음향 에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 예를 들어, 상술된 145㎒ 장치는 12.7㎜ 직경 로드(202)의 10.0㎜길이 상에 감겨진 10개의 광섬유 권선을 가질수 있다. 간단히 계산한 결과, 약 399㎜의 광섬유가 이 길이로 로드(202)상에 감겨질 수 있다는 것을 나타냈다. 그러므로, 10.0㎜의 거리를 진행하는 각각의 음파면은 약 399㎜의 광섬유를 조사할 수 있다.
다시 제7도를 참조하면, 광섬유(200)상의 음파의 입사각은 광섬유 권선들 사이의 간격 S를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 그러므로, 로드(202)상의 광섬유의 상이한 부분들은 상이한 주파수에 응답될 수 있다. 예를 들어, 권선 핏치는 충분한 길이의 광섬유가 주파수 전이기의 범위 내의 각각의 음파 길이와 거의 정합된 비트 길이를 갖도록 다수의 권선에 걸쳐 변화될 수 있다. 상술한 바람직한 실시예에서, 각각의 광섬유 권선의 길이는 약 24개의 비트 길이(즉, ×12.7㎜÷1.65㎜)이다. 그러므로, 광섬유의 각각의 권선들 내의 각각의 전파모우드들 간에 상당한 양의 에너지가 이송된다.
광섬유의 전파 모우드들간의 에너지 전송의 최대 효율을 위해, 제7도 내의 광섬유(200)은 제1도에 관련하여 상술된 바와같은 2개의 직교 편광 모우드들을 갖고 있는 단일 모우드 복굴절성 광섬유인 것이 바람직하다. 이 광섬유는 코어의 주축이 로드(202)의 표면에 대해 약 45°의 각을 이루고, 로드(202)의 표면 상에 배치되는 타원형 코어를 갖고 있다. 본 발명에 사용하기에 특히 유리한 다른 형태의 광섬유는 제12도에 도시된 바와같이 D자형 단면을 갖고 있는 광섬유이다. 이 D자형 광섬유는 일리노이주 60462, 오랜드 파크 153 스트리드, 10500 더블유(10500W, 153rd Street, Orland Park, Illinois 60462)에 소재한 앤드류 코포레이션(Andrew Corporation)에서 제조되어 시판되고 있다. 제12도에 도시된 바와같이, D자형 광섬유(26)의 피복물(262)는 원형이 아니라 한 측상에 평면(264)를 갖고 있다. 또한, 광섬유(200)은 주축 X가 평면(264)에 대해 각 ø를 이루고 있는, 피복물(242)내에 배합된 타원형 코어(266)을 갖고 있다. 바람직하게는, 각 ø는 약 45°이다. 제12도에 도시된 D자형 광섬유(200)을 사용하면, 본 발명을 제조하기가 매우 용이하게 되는데, 그 이유는 평면(264)가 제7도의 로드(202)와 접촉하고 있도록 D자형 광섬유(200)이 자연적으로 배향되므로 코어(266)의 주축을 로드(202)의 표면에 대해 적절하게 배치시키기 때문이다. D자형 광섬유에 대한 설명은 전자공학지(1982. 10. 28)에 제18권, 제22호, 980-981페이지에 알. 비. 다이오트(R. B. Dyott)등이 쓴 "도달 가능한 유도 범위를 갖고 있는 자체 배치된 타원형 코어를 가진 광섬유"란 논문에 기술되어 있다.
상술된 주파수 전이기는 단일 측파대 변조 광선을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 제13도를 참조하면, 입력 광파 Wi는 먼저 광선이 광섬유(200)의 복굴절성 주축들 중의 하나의 주축을 따라 선형으로 편광되도록 모달(modal)필터, 예를 들어 편광기(272)를 통과하게 된다. 렌즈(274)는 편광기(272)로부터의 광선을 광섬유(200)의 단부내로 유입시키기 위해 이 광선을 집속시키는데 사용된다. 광섬유(200)은 제7도와 관련하여 기술된 바와같이 로드(202)상에 감겨진다. 광섬유(200)이 로드(202)상에 감겨지면 복굴절성 축을 섭동시킬 수 있는 광섬유 내의 어느 정도의 정적 응력이 발생될 수 있기 때문에, 복굴절성 축의 소정의 이러한 섭동을 보상하도록 편광을 최종 보정하기 위해 광섬유(200)의 입력 단부에 편광 제어기(276)을 포함시키는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 한 형태의 복굴절성 단일 모우드 광섬유 편광 제어기는 응용 광학지(1979. 6. 1), 제8권, 제11호, 1857-1861페이지에 알, 울리치(R. Ulrich) 및 엠. 존슨(M. Johnson)이 쓴 "단일 모우드 광섬유 편광 회전기"란 논문에 기술되어 있다.
로드(202)의 단부상에 있는 변환기(204)는 로드(202)내에서 음파를 발생하도록 주파수 fa의 발진 전기 신호의 소오스(282)에 의해 구동된다. 광파가 로드(202)주위의 광섬유(200)의 권선들을 통해 전달될 때, 음파는 광파가 입력된 모우드로부터 직교 모우드로 최소한 부분적으로 결합되게 하고, 이렇게 결합된 광선은 제3도 내지 제11도를 참조하여 기술한 설명에 따라 음향 주파수 fa와 동일한 크기만큼 주파수 전이된다. 상술된 바와같이, 주파수 전이 방향(즉, 상향 전이 또는 하향 전이)는 광선이 빠른 모우드 또는 느린 모우드로 입력되는지의 여부뿐만 아니라 음파 전파 방향에 의해 결정된다.
광섬유(200)으로부터 출력되는 광선은 한 모우드내에서 주파수 전이된 광선과, 입력 광선이 100% 결합되지 않은 경우에 다른 모우드내에서 비전이된 광선을 포함한다. 그 다음, 이 광선은 조준용 렌즈(278)을 통과한 다음에, 최초 입력 모우드내에서 비전이된 광선을 차단하도록 배향된 모달 필터, 예를 들어 편광기(280)을 통과하므로, 전이된 광선만이 출력파 W0를 형성하기 위해 편광기(280)에 의해 통과된다. 제14도에는 벌크 광학 편광기들이 도시되어 있지만, 본 분야의 통상의 지식을 가진 기술자들은 미합중국 특허 제4,386,822호에 기술된 바와같은 인-라인(in-line) 광섬유 편광기들이 대부분의 응용에 유리하게 될 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 원통형 로드에 관련하여 상술되었지만, 상이한 단면을 갖고 있는 그외의 다른 로드들이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 제14도에는 4개의 평면(244a, 244b, 244c 및 244d)를 제공하도록 사각형 단면을 갖고 있는 로드(242)상에 감겨진 광섬유(200)이 도시되어 있다. 본 분야의 통상의 지식을 가진 기술자들은 로드(242)상에 감겨질 때 광섬유(200)의 갑작스런 만곡을 제거하기 위해 로드(222)가 만곡 모서리(246a, 246b, 246c, 246d)를 갖는 것이 유리하다는 것을 알고 있다. 이 모서리(246a-d)의 곡선 반경은 로드(242)상에 감겨진 광섬유(200)내의 광선이 모서리 주위에서 계속 양호하게 유도 되도록 선택된다. 제14도 내의 로드(242)의 장방형 단면은 간단한 연부-접착 변환기(248a, 248b, 248c, 248d)들이 각각의 평면(244a-d)상의 표면 음파를 발생시키기 위해 사용될 수 있다는 독특한 장점을 갖고 있다. 더욱이, 변환기(248a-d)는 모우드들 간에 이송된 에너지량 및 주파수 전이 크기를 변화시키기 위해 상이한 주파수 또는 진폭으로 각각 구동될 수 있다. 표면상의 각 권선들의 핏치각들은 동일하게 될 수 있거나 상이하게 될 수 있지만, 어느 경우에도 이 핏치각들은 바람직한 음향 주파수와 정합하도록 바람직하게 선택되어야 한다.
또한, 본 발명은 변환기없이 기술된 실시예를 사용함으로써 선택된 주파수 또는 주파수 범위에 응답하는 음향 검출기로서 사용될 수도 있다. 로드 또는 그 외의 다른 음향 전도 매체는 음파의 통로 내에 배치되고 음향 전달 방향으로 배향된다. 로드상에 감겨진 광섬유를 통해 전달되는 광선 신호의 주파수는 적합한 주파수의 음파에 의해 주파수 전이된다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 주파수 전이기는 음향 주파수의 범위에 응답하도록 핏치를 변화시켜 감겨질 수 있다.
본 발명의 음향 검출기의 배향을 변화시킴으로써, 이 음향 검출기는 음향 방향 파인거(finder)로서 사용 될 수 있다. 단일 음향 검출기는 음파의 전파 방향으로 배향될 때 최대 응답, 즉 전이된 주파수에서 최대 에너지량을 갖게 된다. 또한, 직교 배향으로 배치된 다수의 음향 검출기들은 각각의 검출기의 응답의 상대크기들을 비교하고 이 크기에 대응하는 음향 전달 방향을 계산함으로써 방향 파인더로서 사용될 수 있다.
모든 상기 실시예들은 주파수 전이된 광선이 광섬유의 2개의 편광 모우드들 사이에 결합되는 복굴절성 단일 모우드 광섬유에 관련하여 기술되었지만, 비복굴절성 광섬유가 본 발명내에 선택적으로 사용될 수도 있다. 비복굴절성 광섬유의 경우에, 이 광섬유는 2개의 모우드, 즉 특정 파장의 광선이 사용된 경우에 제1 및 제2차수 모우드를 유지하도록 선택되어야 한다. 제4도 내지 제11도를 참조하여 편광 모우드들에 대해 기술한 것과 동일한 방식으로 제1과 제2차수 모우드들 간의 비트 길이를 음향 파장에 위상 정합시킴으로써, 주파수 전이된 광선은 2개의 모우드 간에, 제1차수 모우드와 제2차수 모우드가 결합된다. 이러한 결합은 음향 응력들이 광섬유를 통하여 진행할 때 음향 응력에 의해 야기된 모우드들의 섭동으로 인해 발생된다. 이러한 모달 결합에 대한 더욱 상세한 설명은 본 명세서에서 참고 문헌으로 사용된 "광섬유 모달 결합기"란 명칭의 제0143583호로 공고된 유럽 특허 출원 제84307920.3호, 및 광학지(1984. 5), 제9권, 제5호, 177-179페이지에 알. 씨. 영퀴스트(R. C. Youngquist)등이 쓴 "2-모우드 광섬유 모달결합기"란 논문에 기술되어 있다. 그러므로, 비복굴절성 광섬유가 본 발명을 사용하는 단일 측파대 변조기내에 선택적으로 사용될 수 있다. 입력 광선은 광섬유의 제2차수 모우드내에서만 발사되어야 하고, 모달 필터, 예를 들어 모우드 스트립퍼(mode stripper)(도시하지 않음)는 제1차수 모우드에 결합된 주파수 전이된 광선만이 장치로부터 출력되도록 제2차수 모우드를 억제하기 위해 장치의 출력단부에 배치되어야 한다.

Claims (17)

  1. 표면(214)를 가지며 이 표면을 따라 표면 음파로서 전파되는 음파(216)의 전파용 음향 전도 매체(202) 및 각각 제1 및 제2속도로 중심축(206)을 따라 광선을 전파시키는 제1 및 제2모우드(X, Y)를 갖는 광섬유(200)을 포함하고, 이 광섬유(200)은 상기 모우드에 대해 선정된 비트 길이(L)을 가지며 상기 음향 전도 매체(202)둘레에 감겨 있어 상기 음향 전도 매체(202)의 표면(214)와 음향 접촉하고 있는 다수의 상기 광섬유 권선을 제공함으로써, 상기 표면 음파(216)이 상기 음향 전도 매체(202)를 통해 전파됨에 따라 상기 광섬유를 따라 전파되는 선택된 응력 위치에서 상기 각 권선의 일부를 통하여 상기 광섬유(200)에 응력을 가하게 하고, 상기 표면 음파는 상기 광섬유(200)의 선정된 비트 길이(L)에 따라 선택되는 소정의 파장을 갖게 됨으로써 상기 응력 위치가 이동하여 상기 제1모우드(X)로 전파되는 광선을 상기 제2모우드(Y)에 결합시켜 주파수가 전이되게 하는 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유(200)는 복굴절성 단일 모우드 광섬유인 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광섬유(10, 200)은 피복물(cladding : 14)에 의해 둘러 싸여진 코어(12)를 가지며, 상기 피복물은 상기 광섬유의 복굴절 축에 대해 선정된 각도로 배향된 평평한 부분을 가지며, 상기 평평한 부분은 상기 매체(202)와 음향 접촉하는 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매체(202)는 로드를 포함하고, 상기 광섬유(200)은 상기 로드 둘레에 감겨진 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광섬유(200)은 상기 다수의 권선에 걸쳐 상기 로드의 표면(214)와 실질적으로 연속적인 음향 접촉을 하고 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 로드는 원통형인 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 광섬유(200)은 상기 로드상에 나선형으로 감겨진 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 권선들 사이의 간격(S)가 일정한 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  9. 제4항에 있어서, 상기 로드상의 상기 광섬유(200)의 최소한 일부의 권선각(θ)는 상기 광섬유의 최소한 다른 한 부분의 권선각과 상이한 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  10. 제4항에 있어서, 상기 로드가 고체인 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 음파(216)을 발생시키기 위한 음향 변환기(204)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 주파수 전이기.
  12. 중심축과 2개의 전파 모우드(X, Y) 및 이 2개의 모우드에 대한 비트 길이(L)을 갖는 광섬유(200)의 다수의 권선을 통해 제1주파수로 광신호를 전파하는 단계, 상기 광섬유의 중심축에 대한 음향 신호의 파면의 입사각이 0°보다 크고 90°보다 작도록 상기 권선부들을 접촉시키기 위해 음향 전도 매체(202)를 따라 상기 음향 신호(216)을 보내는 단계 및 상기 모우드 중 하나의 모우드로 전파되는 광신호의 광 에너지를 상기 모우드들 중 다른 모우드로 전환시켜 제2주파수로 주파수를 전이시키도록 상기 광섬유의 최소한 일부를 따라 전파되는 선정된 응력 위치에서 상기 광섬유에 응력을 가하기 위해 상기 음향 신호를 이용하는 단계를 포함하고, 상기 광섬유는 상기 음향 전도 매체(202)와 음향 접촉하도록 상기 각 권선의 최소한 일부에 감겨지고, 상기 음파(216)은 상기 광섬유(200)의 비트 길이(L)에 따라 소정의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광신호 주파수 전이기 전이 방법.
  13. 제12항에 있어서, 음파(216)의 파장은 상기 광섬유(200)의 비트 길이(L)에 상기 부분들 중의 최소한 한 부분의 입사각의 싸인을 곱한 값과 동일한 것을 특징으로 하는 광신호의 주파수 전이 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 광신호의 주파수 전이는 상기 음향 신호의 주파수와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 광신호의 주파수 전이 방법.
  15. 한 주파수의 광선을 다른 주파수의 광선으로 변환시키기 위해 제1항에서 청구한 광섬유 주파수 전이기를 사용하는 것을 특징으로 하는 광신호의 주파수 전이방법.
  16. 음향 신호의 선택된 주파수 또는 주파수 범위용 음향 검출기로서 제1항에서 청구한 광섬유 주파수 전이기를 사용하는 것을 특징으로 하는 광신호의 주파수 전이방법.
  17. 음향 신호용 방향 탐지기(finder)로서 제1항에서 청구한 광섬유 주파수 전이기를 사용하는 것을 특징으로 하는 광신호의 주파수 전이 방법.
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