NO860432L - Fordelt avfoeler og fremgangsmaate som anvender sammenhengsmultipleksing av fiber-optiske interferometriske avfoelere. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår fiberoptiske sensorer og spesielt fordelte fiberoptiske sensorrekker som anvender en lyskilde med kort koherenslengde.

I de senere år har det vært aktiv forskning på fiberoptiske innretninger og de er blitt utviklet for bruk i forskjellige avfølingsanvendelser i et bredt spekter av områder. En grunn for denne interesse er sensitiviteten til optiske fibre overfor omgivelsestilstander som omgir dem. F.eks. vil faktorer såsom temperatur, trykk og akustiske bølger direkte påvirke lystransmisjonskarakteristika til den optiske fiber. Disse endringer i den optiske fiberen frembringer en endring i fasen til lyssignaler som forplanter i fiberen. Således er en måling av endringen i fase i optiske signaler som er blitt sendt gjennom denne fiber representativ for endringer i de omgivelsestilstander som har påvirket fiberen.

I den senere tid er det gjort særlige anstrengelser rettet mot utviklingen av systemer som har sensorer anordnet i rekker slik at et antall sensorer kan anvende lys fra en enkelt kilde og tilveiebringe omgivelsesinformasjon i et felles detekteringssted. Ideelt vil en slik rekke bestå av en fiberinngangsbuss som vil føre lys til et sett av sensorer. Hver sensor vil innføre informasjon om omgivelsen på denne optiske bærer. En utgangsfiberbuss vil så samle denne informasjon og bringe den tilbake til et sentralt prosesseringssted hvor informasjonen fra en hvilken som helst utvalgt sensor umiddelbart kan identifiseres og bli analysert.

Hensikten med disse utviklingsanstrengelser er å frembringe sensorrekker som kan brukes i spesielle anvendelser såsom overvåkning av hurtig endrende omgivelsestilstander. F.eks. kan slike sensorrekker brukes til å detektere akustiske bølger for å kunne bestemme kildelokaliseringen og akustiske karakteristika til disse bølger. I mange slike anvendelser kan det være nødvendig å spre rekkene over et relativt stort område. I disse situasjoner vil erstatningen av elektriske ledninger med fiberoptikk, f.eks., overkomme problemer såsom opptak av elektriske signaler, kabelvekt og sikkerhetsrisika tilknyttet anvendelsen av de elektriske ledninger. Selv når sensoren blir brukt i et begrenset område, vil fjerningen av elektronikk og masseoptikk-komponenter generelt medføre forbedret systemytelse på grunn av redusert støy. På den annen side skaper erstatningen av elektriske ledninger med optiske fibre et problem med å forhindre eller å fjerne enhver påvirkning av omgivelsestilstander på ikke-sensordelene til systemet. Dette blir derfor en viktig faktor ved utformingen av systemet.

Den primære utformingsfaktor ved utvikling av en sensorrekke er selvfølgelig måten hvorved informasjon fra hver sensor kan atskilles for individuell identifikasjon ut fra all informasjon som ankommer ved det sentrale prosesseringsstedet på den enkle datastrømmen. Fordelte avfølingssystemer som nylig er utviklet har generelt anvendt en av to måter for å atskille informasjon fra en individuell sensor fra en enkel datastrøm. Den første måten består i tidsdivisjonsmultipleksing av sensorutgangssignalene, og er beskrevet av A.R. Nelson og D.H. McMahon, "Passive Multiplexing Techniiques For Fiber-Optic Sensor Systems", I.F.O.C., s. 27, (mars 1981). Ved tidsdivisjonsmultipleksing er det optiske inngangssignalet vanligvis pulset slik at inngangssignalet består i en pulsbølgeform. Som et resultat frembringer hver sensor en puls som, som en konsekvens av systemgeometrien, blir atskilt i tid fra de andre sensorsignalene. Spesielt blir den optiske inngangspulsen som er sendt gjennom hver sensor plassert på utgangsfiberen av hver av sensorene på forskjellige tidspunkter. Ved å styre den relative posisjonen til sensorene kan interfoliering av pulssignalene bli utført ettersom signalene blir multiplekset fra sensorene på en retur-fiberbuss. Disse interfolierte pulssignalene blir så ført tilbake til det sentrale prosesseringsstedet hvor demultipleksing og videre signalbehandling finner sted.

Et problem som er iboende i denne type system er at frekvensen hvorved sensorene kan overvåkes blir begrenset av antall sensorer. Spesielt er det å merke seg at en andre puls ikke kan sendes fra den optiske kilden før en viss tid har forløpt. Dersom den andre pulsen blir sendt gjennom sensoren nærmest kilden før de optiske signalene fra alle sensorene hadde passert utgangsterminalen til denne sensor, er det mulig at signalene som resulterer fra den andre pulsen kunne passere gjennom de første sensorene i rekken og bli plassert på returbussen før passasjen av optiske signaler frembrakt fra sensorer nær enden av rekken. Dette ville selv-følgelig forhindre demultipleksingen og signalbehandlingsutstyret i å bestemme forholdet mellom det mottatte pulssignalet og dettes tilhørende sensor. Slike systemer er derfor ofte ikke brukbare ved anvendelser som krever hurtig gjentatt avføling av omgivelsestilstander av hver av hver sensorene i rekken.

Den andre måten som er blitt brukt for å utskille hver sensors informasjon fra den enkelte datastrømmen har vært å frekvensdivisjonsmultiplekse sensorutgangssignalene på en måte som er beskrevet av LP. Giles, D. Uttam, B. Culshaw og D.E.N. Davies, "Coherent Optical-Fibre Sensors With Modulated Laser Sources", Electronics Letters, vol. 19, s. 14, (1983). Denne måten blir utført ved frekvensramping av den optiske kilden og å anordne rekkegeometrien slik at transittiden til lysen fra kilden til en sensor og tilbake til det sentrale lokaliseringsstedet er spesiell for hver sensor. I dette tilfellet blir rekkeutgangssignalene blandet med kildens tilstedeværende utgangssignal, og derved frembringes en egen sentral frekvens for hver sensor. Omgivelsesinformasjonen bæres i sidebåndene om denne sentrale frekvensen.

Et bestemt problem med dette ovenfor beskrevne systemet involverer "tilbakestillings"-perioden når det periodiske rampesignalet blir tilbake-stilt fra sin maksimale til sin minimale posisjon. Denne tilbakestillings-periode innbefatter en tid hvorved systemoperasjonen ikke kan finne sted siden det ikke er noe rampesignal tilstede og det vil ikke bli frembrakt noen meningsfulle resultater. Dette setter grenser for hastigheten hvorved omgivelsestilstander kan endre seg og fremdeles pålitelig bli overvåket av sensorsystemet.

Et annet problem ved dette bestemte systemet er at antallet sensorer som kan anvendes i rekken eller frekvensområdet til signalene som skal detekteres blir begrenset basert på området av FM-frekvenser som blir brukt i rampesignalet, og perioden til rampesignalet. Siden en forskjellig sentralfrekvens blir produsert for hver sensor, vil mer spesielt mengden av forskjell mellom hver slik sentral frekvens og totalområdet av frekvenser innenfor hvilket disse sentrale frekvenser er inneholdt, bestemme antallet sensorer som kan anvendes. Ekvivalent vil antallet sensorer, sammen med totalområdet av frekvenser, bestemme den maksimale differanse mellom sentralfrekvensene, og således de maksimale omgivelsesfrekvenser som kan detekteres. Området av frekvenser er selvfølgelig bestemt av hellingen og perioden til rampesignalet.

En annen begrensning som er erfart av begge måtene som er beskrevet ovenfor, er at de er begrenset til lengre koherenslengdekilder, siden de krever anvendelsen av interferens mellom det opprinnerige kildesignalet og signalet produsert av sensoren for å kunne identifisere de ønskede omgivelsestilstander. Således bruker begge disse systemer enten pulsede eller rampede koherentkilder for å frembringe det optiske signalet.

Ideen med å anvende en kilde med kort koherenslengde for å atskille signaler som returnerer fra en serie av sensorer er blitt foreslått av S.A. Al-Chalabi, B. Culshaw og D.E.N. Davies, "Partially Coherent Sources In Interferometric Sensors", Proceedings of the First International

Conference On Optical Fibre Sensors, (I.E.E.E.), s. 132 (april 1983). Denne referanse viser anvendelsen av en serie av fjerne Mach-Zehnder-interferometre med forskjellig lengde av armene i hvert interferometer større enn koherenslengden til kilden, slik at det ikke er noe inter-ferenssignal på utgangen fra interferometrene. To optiske fibre forbinder utgangene til hvert interferometer med inngangene til det neste interferometer. Utgangsfibrene til det siste avfølingsinterferometer er forbundet til inngangsportene til et enkelt referanseinterferometer som har en detektor anordnet på en av utgangsportene. Referanseinterfero-meteret er konstruert av masseoptiske komponenter og utformet slik at forsinkelsen på en av armene er variabel. Mottakeren varierer forsinkelsen i den indikerte armen og derved varieres effektivt lengden til den optiske banen gjennom denne arm for å detektere signaler fra hver av de forskjellige interferometriske sensorene i systemet. Referanseinterfero-meteret må være tildannet av masseoptiske komponenter snarere enn av fiber slik at dets armlengde kan varieres nok for å betjene et vesentlig antall sensorer.

Av det ovenstående er det klart at Al-Chalabi med fler-referansen ikke viser et system som kontinuerlig kan overvåke hver av de forskjellige sensorene i et fordelt system. Snarere detekterer Al-Chalabi med fler-systemet bare omgivelsestilstandene avfølt av en hvilken som helst enkelt sensor ved et gitt tidspunkt. Omgivelsestilstandene til alle sensorene kan bare detekteres periodisk ved å overvåke hver sensor etter tur. Frekvensen som dette kan gjøres med er begrenset av hastigheten som lengden av den variable armen til mottakeren kan varieres med.

Et annet problem med dette systemet er at n/2-faseskiftet som opptrer når lys koples mellom to fibre blir viktig. Lys fra en inngangsport til et avfølingsinterferometer entrer den lengste armen forsinket med n/2 i forhold til lys som entrer den korteste armen. Lys fra den andre inngangsporten entrer den korteste armen med en relativ forsinkelse på jr/2-radianer. Denne differanse i relative forsinkelser fører til kansellering mellom signalene tilknyttet lys som entrer hver av de to inngangsportene, slik at dersom alle koplerne blir innstilt med en koplingseffektivitet på 50%, så vil i det hele tatt bare den første sensoren frembringe et signal.

Basert på det ovenstående ville det være en viktig forbedring på området å tilveiebringe et avfølingssystem og en teknikk for å multiplekse en flerhet av fjerne sensorer uten at man blir utsatt for de ovenfor beskrevne restriksjoner som er iboende i tidsdivisjons- og frekvens-divisjonsmultipleksingsfremgangsmåtene som tidligere har vært anvendt. Således bør det forbedrede systemet være valgfritt tidsuavhengig, slik at det er mulig med hovedsakelig kontinuerlig overvåkning av hver av sensorene. Et slikt system bør tilveiebringe drift uten at det er nødvendig å anvende elektronikk eller aktive innretninger i omgivelsesavfølings-regionen. Et slikt system bør fortrinnsvis tillate anvendelsen av en hvilken som helst av et bredt område av optiske kilder, og bør være både enkelt og økonomisk å fremstille og å bruke i den aktuelle anvendelse.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter et koherent fordelt sensorsystem og en fremgangsmåte som fortrinnsvis anvender en lyskilde med kort koherenslengde for å utføre koherensmultipleksing av en rekke av fiberoptiske sensorer. Et apparat for fjernavføling av omgivelseseffekter på et par av sensorer erkarakterisert veden lyskilde; en flerhet av optiske bølgeledersegmenter som definerer første, andre, tredje og fjerde lysbaner for nevnte lyskilde, og nevnte første og andre lysbaner er forskjellige i i det minste et avfølingsområde og hvor i det minste en av nevnte første og andre lysbaner blir påvirket av omgivelseseffekter i nevnte avfølingsområde, og nevnte tredje og fjerde lysbaner er forskjellige i i det minste et mottaksområde og har hovedsakelig samme lengde som de respektive nevnte første og andre lysbaner og ikke blir utsatt for den samme omgivelseseffekt som nevnte første og andre lysbaner, og hvori det minste en del av nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner er definert av et bølgeledersegment som består av optisk fiber som valgfritt forbinder nevnte avfølings- og mottaksområder; og en innretning for å kombinere lys fra nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner idet nevnte innretning kopler lys koherent bare fra lysbaner som i hovedsak korresponderer i lengde med en spesifikk av nevnte første og andre lysbaner til enhver tid.

Mer spesielt innbefatter sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse generelt en optisk kilde som har kort koherenslengde og som er optisk koplet til en første flerhet av bølgeledersegmenter som definerer i det minste en del av nevnte første og andre lysbaner hvor lys koplet fra nevnte lyskilde. De første og andre lysbaner blir påvirket av en omgivelseseffekt ved første og andre steder. Det er tilveiebrakt i det minste et andre optisk bølgeledersegment for å forplante lys gjennom i det minste en del av tredje og fjerde lysbaner. De tredje og fjerde lysbaner har hovedsakelig den samme lengde som de respektive første og andre lysbaner, men de tredje og fjerde lysbaner blir ikke utsatt for den samme omgivelseseffekt som de første og andre lysbaner. Et tredje optisk bølgeledersegment er valgfritt koplet til en av den første flerhet av optiske bølgeledersegmenter og til det andre optiske bølgeledersegment slik at lys fra den første flerhet av bølgeledersegmenter blir forplantet til den optiske forbindelsen med det andre bølgeledersegmentet bare gjennom det tredje optiske bølgeledersegmentet. Det er tilveiebrakt en innretning for å kombinere lys fra den første, andre, tredje og fjerde lysbane og for å kople lys på koherent måte bare fra lysbaner som har i hovedsak den samme lengde som en spesifisert av den første og andre bane til enhver tid. I i det minste en foretrukket utførelse av oppfinnelsen eksisterer ikke den tredje og fjerde lysbane samtidig.

Eelektriske detektorer er optisk koplet til innretningen for å kombinere lys hvilke detektorer mottar det koplede lyset fra denne. Det koherent koplede lyset innbefatter et fasedifferansesignal som korresponderer med differansen i fase mellom lys som har gjennomløpt en utvalgt av den første og andre lysbane og lys som har gjennomløpt i den tredje eller fjerde optiske bane som har tilsvarende lengde. Denne fasedifferanse er representativ for omgivelsestilstandene som påvirker den valgte lysbanen i sensorsystemet. Detektorene er vanligvis tilkoplet andre informasjons-behandlingsinnretninger for overvåkning og evaluering av de spesielle omgivelsestilstander som er blitt detektert.

I en foretrukket utførelse innbefatter oppfinnelsen en "parallell" utforming hvorved lys fra laseren med den korte koherenslengde blir sendt inn i en enkelmodusfiber og så blir splittet av en retningskopler langs to baner. Delen av lyset som tar den første banen entrer en inngangsfiber-optisk buss og blir fordelt til en flerhet av optiske fibre eller andre komponenter såsom elektroniske transdusere som innbefatter sensorer som hver er optisk forbundet ved en terminal til den fiberoptiske inngangsbussen, og som er forbundet ved sin andre terminal til en fiberoptisk utgangsbuss, og derved danner en stigeutforming. Delen av lys som tar den andre banen entrer en fiberoptisk avtappet forsinkelseslinje og opptrer som et referansesignal.

Hver sensor innfører omgivelsesinformasjon i lyset som passerer derigjennom i form av endringer i den optiske fasen. Lys fra hver av sensorene blir optisk koplet til den fiberoptiske returbussen. Lys, blir optisk koplet fra returbussen av kopiere anordnet langs en annen del av lengden til en flerhet av optiske fibre som innbefatter avtapninger. Forskjellen mellom lengdene til hver av lysbanene definert av den fiberoptiske inngangsbussen, en individuell sensor, og den fiberoptiske returbussen, er mye større enn koherenslengden til den optiske kilden, slik at intensitetsmodulasjon ikke finner sted når lyset fra hver sensor blir samlet på den fiberoptiske returbussen.

Lys fra returbussavtapningslinjen blir blandet med lys som er blitt avtappet fra forsinkelseslinjen av optiske fibre anordnet ved bestemte steder langs forsinkelseslinjen. Disse fiberavtapninger er anordnet slik at forsinkelseslinjen og hver optisk fiberavtapningslinje definerer en optisk banelengde som i hovedsak er lik den tilhørende inngangsbussen, sensor, utgangsbussen og avtapningsbanelengden. Forsinkelseslinjen eller referan- searmen blir skjermet fra omgivelsene slik at hver detektor måler omgivelsesinformasjon som består i forskjellen i fasen mellom lyset som har gjennomløpt sensorlysbanen og lyset som har gjennomløpt den korresponderende forsinkelseslinjen.

Generelt innbefatter signalet målt av en detektor omgivelsesinformasjon tilknyttet inngangs- og returbussene så vel som sensoren. Dette er vanligvis uønsket. To løsninger på dette problem er mulig: Enten må fibrene i inngangs- og utgangsbussene bli skjermet; eller det anvendes elektronisk fratrekking av signalene mottatt i tilliggende detektorer, idet differansesignaler blir tilveiebrakt som er uavhengige av fasevariasjoner indusert på bussene, unntatt i området mellom de korresponderende sensorene. Som et resultat relaterer denne differanseinformasjon direkte til omgivelsestilstander som påvirket den bestemte sensor.

I en annen foretrukket utførelse er det ovenfor beskrevne systemet modifisert ved at det ikke er tilveiebrakt en fiberoptisk forsinkelseslinje. I stedet er det konstruert et Mach-Zehnder-interferometer på den fiberoptiske returbussen, og signaler fra lyskilden blir pulset på den fiberoptiske inngangsbussen. Pulsene blir tidsbestemt slik at returpulsene fra sensorene ikke overlapper hverandre eller med pulser fra den neste samplingen av rekken. Armene til Mach-Zehnder-interferometeret har forskjellige lengder, idet differansen i armlengder er lik differansen i banelengder mellom hver av to tilliggende sensorer. Følgelig forårsaker interferometeret blanding av utgangssignalene til tilliggende sensorer og, igjen blir gradienten til omgivelsesparameteren målt. En frekvensskifter kan være plassert i en arm av Mach-Zehnder-interferometeret for å frembringe et heterodyn-utgangssignal.

En annen foretrukket utførelse innbefatter en modifikasjon av parallellsystemet beskrevet til å begynne med, hvor den optiske fiberforsinkelseslinjen innbefatter variabel forsinkelsesmulighet, og hvori forsinkelseslinjen er optisk koplet ved sin ende til returbussen fra sensorstigenettverket. Utgangssignalet frembrakt av den koplede forsinkelseslinjen og returbussen frembringer et fasedifferansesignal som ved enhver gitt tid er representativ for omgivelsestilstandene som påvirker en sensor som er del av en optisk bane hvis lengde i hovedsak passer til referansesignal- banelengden gjennom forsinkelseslinjen ved dette tidspunkt. Ved hurtig å variere den optiske banelengden til den variable forsinkelseslinjen kan systemet hurtig avsøkes slik at hver sensor kan overvåkes uten pulsing av inngangen fra lyskilden. Etter valg kan en frekvensskifter plasseres i den variable forsinkelseslinjen for å frembringe et heterodyn-utgangssignal.

En forovermateutførelse av systemet beskrevet umiddelbart ovenfor kan være tilveiebrakt ved å anvende dobbeltbrytende fiber som den optiske inngangsfiber, idet de to polarisasjonsaksene til denne fiber opptrer som inngangs- og utgangsbusser. Avtapninger er plassert langs fiberen for å kople lyset mellom disse to polarisasjonsakser. Siden de to polarisasjonsaksene i denne utførelse har svært like gruppehastigheter, behøver ikke den variable forsinkelseslinjen å søke over et stort område, idet det nå finnes lasere som har en koherenslengde som er kort nok slik at avtapninger kan være plassert rimelig nær hverandre uten å påvirke hverandre i særlig grad.

Nok en foretrukket utførelse innbefatter anvendelsen av et parallellsystem som beskrevet til å begynne med, hvorved den fiberoptiske returbussen er direkte forbundet ved sin ende til enden av den fiberoptiske forsinkelseslinjen, og hvor lyskilden frembringer pulsede optiske signaler som er rettet gjennom en strålesplitter eller retningskopler og derved blir delt mellom den optiske inngangsfiber og fiberforsinkelseslinjen. Lyspulsen som entrer rekken fra den optiske inngangsfiber sampler omgivelsen via sensorene tidligere enn pulsen som sendes gjennom fiberforsinkelseslinjen. Pulsene plassert på inngangs- og returbussene av en utvalgt sensor vil returnere og interferere ved strålesplitteren eller kopleren. Siden disse pulser har passert gjennom sensoren ved forskjellige tidspunkter, vil interferenssignalet som de frembringer innbefatte en representasjon av endringen i sensoren over tid. Dette signalet frembrakt av de interfererende pulsene vil bli sendt fra strålesplitteren eller retningskopleren til en detektor. Valgfritt kan den andre optiske fiberen innbefatte en arm av et Mach-Zehnder-interferometer som innbefatter en fiberforsinkelseslinje på sin andre arm,

og en frekvensskifter for å heterodyne utgangssignalet, og for å betrakte

gradienten av endringene i omgivelsen ettersom disse påvirker hver sensor med tiden.

En ytterligere foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelse innbefatter en "serie"-utforming av rekken. I denne utforming blir lys sendt gjennom en enkelmodusfiber og inn i en serie av Mch-Zehnder-interferometre som har armen med forskjellige lengder. Hvert av interferometrene innbefatter en av sensorene i rekken. Sensorene er konstruert ved å anvende retningskoplere for å dele lyset idet koplingskonstanten til hver kopler er bestemt av antallet sensorer i systemet. De optiske banedifferanser gjennom de forskjellige sensorer blir valgt slik at det er mye lenger enn kildens koherenslengde slik at en endring i den relative fasen mellom armene til interferometeret ikke vil bli omdannet til detekterbar intensitetsmodulasjon ved sensorutgangen. Informasjonen påtrykket i lyset i hver sensor er forskjellen i fase mellom lyset som forplanter seg i de to armene til interferometeret.

Lyset fra sensorene blir sendt via en felles fiberoptisk buss til et antall mottaks-Mach-Zehnder-inteferometre som hver har to armer hvis lengder skiller seg en mengde som i hovedsak er tilpasset armlengdeforskjellen til en korresponderende av sensorene. Således har hver sensor fortrinnsvis et mottaksinterferometer med en korresponderende armlengde-differanse. Som et resultat blir fasemodulasjonssignalet fra sensoren omformet til amplitudemodulasjon av mottaksinterferometrene slik at fotodetektorer på utgangen av hvert mottaksinterferometer kan overvåke amplitudemodulasjonen som korresponderer med fasemodulasjonen til den tilhørende sensor og frembringe et signal som er representativt for omgivelsestilstanden som påvirket denne sensor. Denne utførelse er trådufølsom siden signaler blir ført på en felles fiber unntatt når de er i sensoren eller mottaksinterferometeret. Således er det bare nødvendig med omgivelsesskjerming på mottaksinterferometeret for å kunne oppnå signaler som, dersom egnede teknikker blir brukt for å unngå signalfading, direkte reflekterer endringer i den valgte sensoren.

En mer foretrukket utførelse av oppfinnelsen innbefatter et hybrid-ar rangement hvori lyssignalet fra laserdioden blir sendt gjennom en inngangsfiber til en serie av optiske sensorer anordnet i en stigearrange- ment hvor hver sensor innbefatter et Mach-Zehnder-interferometer. Utgangssignalet fra hver sensor blir kombinert på en returbuss på samme måte som beskrevet foran med hensyn til parallellutførelsen. Returbussen er imidlertid optisk koplet for å sende de kombinerte signalene fra sensorene til en flerhet av Mach-Zehnder-mottaksinterferometer som er organisert i et arrangement på samme måte som beskrevet ovenfor for serieutførelsen. Dette system innehar ledeufølsomhet på samme måte som seriesystemet.

For hver av "serie"-utførelsene og hybridarrangementet beskrevet ovenfor, kan funksjonelt relaterte utførelser av oppfinnelsen være tilveiebrakt ved å erstatte de to optiske fibrene som definerer hvert Mach-Zehnder-interferometer med en høyst dobbeltbrytende enkelmodusfiber eller med en to-modusfiber som innbefatter interferometeret. I enkelmodusfiberen er de to optiske banene til hvert interferometer definert av de to ortogonale polarisasjonsmodi som er tilstede i denne. Koplingsinnretninger og/eller polarisatorer ble brukt på fiberen for å forbinde sensorene til hverandre eller til mottakerne for å kunne kombinere de optiske signalene som forplanter seg i de ortogonale banene på en enkel bane i disse segmenter av systemet. I tilfellet med to-modusfiber blir de to atskilte ortogonale modi (grunn og andre ordens) brukt for å definere de to lysbanene til hvert interferometer. Ved å anvende dertil egnede koplingsarrangementer mellom to-modusfiberen og de sammenkoplede elementer og ved bruk av andre komponenter såsom modusstrippere, tilveiebringer to-modusfiberutførelsen enkelt-signaltransmisjonsbanen som er nødvendig mellom sensorene og mottakerne. Ved å anvende de ortogonale modi til disse dobbeltbrytende eller to-modusfibre, blir den optiske banedifferansen en gitt liten fraksjon av den virkelige fiberlengden, idet fraksjonen er forholdet mellom bølge-lengden og bitlengden mellom de to ortogonale modi. Som et resultat er toleransen ved tilpassingen av de optiske banelengdene til avfølings- og korresponderende mottaksinterferometre mye mindre stringent enn ved utførelsene som anvender separate fibre for å definere Mach-Zehnder-interferometrene.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter også et nytt apparat og teknikk som kan anvendes med flere av utførelsene til oppfinnelsen for å tilveiebringe et heterodyn-likt utgangssignal uten bruk av en optisk frekvensskifter. Ved heterodynoperasjonen blir frekvensen til signalet endret slik at informasjonen inneholdt av signalet blir ført i sidebåndfrekvenser av den resulterende ikke-null senterfrekvens. Heterodynoperasjon er ønskelig siden den overkommer problemet med signalfading på grunn av lav frekvensomgivelsespåvirkning på fiberen. I tillegg kan heterodynsignalet umiddelbart evalueres ved anvendelse av konvensjonelt elektronisk utstyr såsom spektrumanalysatorer, FM-demodulatorer eller fase-detektorer. Den foreliggende oppfinnelse unngår anvendelsen av en frekvensskifter til heterodynoperasjonen ved å tilveiebringe en fasemodulator i mottakerdelen av sensoren sammen med en signalbehandlings-teknikk for å vende det resulterende fasemodulerte signalet til et frekvensendret elektronisk signal.

Fasemodulatoren blir drevet ved en frekvens som er mye høyere enn frekvensen til signalet i sensoren. En svitsjekomponent, såsom en port, blir brukt til å modulere det elektroniske signalet fra den optiske detektoren på en måte som er synkronisert med driften av fasemodulatoren. Således multipliseres utgangssignalet fra detektoren på effektiv måte det detekterte signalet med en firkantbølge ved den høyere modulasjonsfrekvensen og blander de harmoniske til denne modulasjonsfrekvens i signalet. Siden ulike og like harmoniske aldri fader samtidig, er det mulig å eliminere signalfading ved å blande de to harmoniske som beskrevet. Når modulasjonsamplituden til fasemodulatoren og synkroni-seringen til porten er justert riktig, vil utgangssignalet inneholde et heterodynliknende signal rundt en av modulasjonsfrekvenssidebåndene.

De fordelte rekkesensorene i henhold til den foreliggende oppfinnelse innbefatter et system og en teknikk for å multiplekse fjerntliggende sensorer som er nøyaktig som er optisk tidsuavhengig slik at i hovedsak kontinuerlig overvåking av hver sensor er mulig hvilket tillater detekte-ring av hurtig endrende omgivelsestilstander som påvirker sensorene. Oppfinnelsen tillater bruk av optiske kilder som har kort koherenslengde og derved innbefattes et stort antall av kommersielt tilgjengelige lasere som er mindre kostbare og mer kompakte enn de som har lenger koherenslengder. Videre tilfredsstiller oppfinnelsen fortrinnsvis sitt formål i en helfiberoptisk utførelse hvilket eliminerer unødvendige elektroniske komponenter som minsker systemytelsen ved å redusere påliteligheten og øker kompleksiteten. Systemet kan utføres slik at det er lite trådfølsomt hvilket tillater anvendelse av lange ledninger mellom sensorene uten behov for omgivelsesavskjerming av disse ledninger. Oppfinnelsen innbefatter også en teknikk for på effektiv måte å gjøre utgangssignalet heterodynt, hvilket fjerner behovet for frekvensskiftere i hvert mottaksinterferometer og derved reduseres ytterligere kostnadene samtidig som nøyaktigheten til avfølingssystemet økes. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en fordelt sensor og fremgangsmåte som angitt i innledningen til patentkravene og oppfinnelsen er kjennetegnet ved trekkene som er angitt i kravenes karakteristikk.

Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningene, hvor:

Figur 1 viser skjematisk en foretrukket utførelse av et koherent fordelt

fiberoptisk sensorsystem i en parallellutforming.

Figur 2 viser i snitt en utførelse av en fiberoptisk retningskopler for anvendelse i det fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 3 viser skjematisk en annen foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse innbefattende en pulset optisk kilde og et Mach-Zehnder-interferometer koplet til returbussen fra det parallelle sensorstigearrangementet. Figur 4 innbefatter en annen foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen og innbefatter en variabel forsinkelseslinje forbundet med returbussen fra sensorrekken. Figur 5 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til oppfinnelsen og består av et forovermatende arrangement som anvender en dobbeltbrytende fiber for sensorrekken hvor de to signalbanene i den parallelle armen utgjør de to polarisasjonsaksene til den dobbeltbrytende fiberen. Figur 6 viser skjematisk en annen foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse og illustrerer et parallellarrangement som måler den tidsderiverte av omgivelsesparameteren. Figur 7 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og illustrerer operasjonsprinsippet for en serieutførelse av sensorrekken. Figur 8 viser skjematisk en annen foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse og innbefatter en modifikasjon av serieutførelsen på figur 7, hvor fibrene fra begge portene til hver sensor føres videre for å danne den neste sensoren. Figur 9 viser skjematisk en ytterligere foretrukket utførelse av den koherente fordelte sensoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse og består i en hybridutførelse som innbefatter en kombinasjon av parallellserieutførelsene til systemet. Figur 10 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet til den foreliggende oppfinnelse som korresponderer funksjonsmessig med utførelsen på figur 7, men som innbefatter sensorer og mottakere som innbefatter dobbeltbrytende eller to-modus optisk fiber. Figur 11 er et diagram som illustrerer de elektriske feltmønstre til den første og andre ordens modus, LPqi og LP^ respektivt til en ikke-dobbeltbrytende fiber. Figur 12 viser skjematisk en annen foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, som korresponderer funksjonsmessig med utførelsen på figur 8, men som innbefatter sensorer og mottakere som består av dobbeltbrytende eller to-modusfiber. Figur 13 viser skjematisk nok en foretrukket utførelse av det koherente fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, og illustrerer et system som funksjonsmessig er ekvivalent med systemet på figur 9, men hvor sensorene og mottakerne består av dobbeltbrytende eller to-modusfiber. Figur 14 viser skjematisk en enkelmodusfiber som er endekoplet til en to-modusfiber med aksene forskjøvet for å kople lys i en felles polarisasjonsmodus og for å unngå kopling av optiske signaler som ikke er i den valgte polarisasjonsmodus. Figur 15 viser skjematisk en forenklet versjon av serieutførelsen av den koherente fordelte sensoren og innbefatter en enkelt sensor og en enkelt mottaker. Figur 16 viser skjematisk en forenklet versjon av serieutførelsen til den koherente fordelte sensoren og illustrerer en teknikk for frekvensskifting av utgangssignalet fra fordelte sensorer under anvendelse av fasemodulatorer og porter. Figur 17 er en perspektivtegning av en utførelse av en fiberoptisk polarisasjonsstyreinnretning for anvendelse i den fordelte sensoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 18 er en atskilt perspektivtegning av en innretning som kombi-nerer diskrete variable forsinkelseslinjer med en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje. Figur 19 viser et tverrsnitt av en kontinuerlig variabel fiberoptisk

kopler.

Figur 20 er en perspektivtegning av en holder som blir brukt for å

justere banelengden til den varierbare forsinkelseslinjen.

Figur 21 viser et tverrsnitt av en kontinuerlig variabel fiberoptisk kopler

med et flatt substrat.

Figurene 22 og 23 viser kopleren på figur 22 i maksimal og minimal

forsinkelsesposisjoner respektivt.

Figurene 24 og 25 viser kombinasjoner av diskrete variable forsinkelsesinnretninger med kontinuerlig variable forsinkelsesinnretninger for å frembringe kontinuerlig variabel forsinkelse over relativt lange perioder av forsinkelse. Figur 26 viser i atskilt perspektiv en modal kopler for anvendelse med

den foreliggende oppfinnelse.

Figur 27 er et tverrsnitt tatt langs linjene 27-27 på figur 26 og viser

formen av åsene til modalkopleren.

Figur 28 viser et par åser presset mot en høydobbeltbrytende fiber for å

danne påkjente og ikke-påkjente områder.

Figur 29 viser effekten på polarisasjonsaksene til en dobbeltbrytende

fiber når påkjenning blir påført fiberen.

Figur 30 viser skjematisk et par åser presset mot en ikke-dobbeltbrytende optisk fiber for å deformere fiberen og forårsake brå endringer i fibergeometrien ved begynnelsen og slutten av hver ås.

Oppfinnelsen vil best bli forstått med referanse til tegningene hvor like deler er angitt med like henvisningstall.

Figur 1 viser en foretrukket utførelse av en "parallellutforming" og innbefatter et sensorrekkesystem for å overvåke omgivelsestilstander som påvirker en flerhet av fordelte sensorer. En lyskilde 100, såsom en laserdiode, som fortrinnsvis har kort koherenslengde ble brukt i denne utførelse.

Koherenslengde betyr lengden som signalinterferenseffekter i aksialret-ningen kan frembringes over. Fagkyndige vil forstå at koherenslengden (Lc) kan defineres, for i det minste noen typer laserkilder, ved det følgende forhold:

hvor: 2Af = optisk båndbredde ved maksimal effekt; og

Vg = gruppehastighet til lys i en optisk fiber.

Således blir det fra likning (1) klart at koherenslengden øker ettersom spektralrenheten til laseren forbedres. Det vil også forstås av fagkyndige på området at i sammenlikning med tidligere kjente systemer som krever lengre koherenslengdekilder, vil et sensorsystem som kan anvende korte koherenslengdesignalkilder innbefatte et allsidig system i hvilket en hvilken som helst av et stort antall laserlyskilder kan anvendes, heri innbefattet relativt rimelige og kompakte diodelasere.

I den viste utførelsen består lyskilden 100 av en aluminiumgalliumarsen (AlGaAs)-laser som produserer lys som har en bølgelengde i størrelses-orden omtrent 790 nm. Som et spesielt eksempel kan lyskilden 100 bestå av en modell "NDL 3000"-laserdiode, kommersielt tilgjengelig fra NEC Electronics USA, Inc., 252 Humbolt Court, Sunnyvale, California.

Lyskilden 100 er optiskk koplet til en optisk fiber som innbefatter en fiberoptisk inngangsbuss 102. En første retningskopler 104 er anordnet på inngangsbussen 102 for å kople noe av den optiske effekten til en andre optisk fiber som innbefatter en optisk forsinkelseslinje 106. I den viste utførelse er retningskopleren 104 av samme type som andre retnings - kopiere som anvendes i sensorsystemet. En foretrukket utførelse av retningskopleren som kan bli brukt i system er vist i det følgende her, og er beskrevet detaljert i den parallell US patentsøknad serienr. 300.955, inngitt 10. september 1981, med tittel "Fiber-Optic Directional Coupler" som er en delvis videreføring av US patentsøknad med serienr. 139.511, inngitt 11. april 1980 med tittel "Fiber-Optic Directional Coupler", og begge nevnte patentsøknader tilhører eieren av den foreliggende oppfinnelse. Disse parallelle patentsøknader er herved innbefattet som referanse.

En flerhet av retningskoplere 108a, 108b, ... 108n er også anordnet ved valgte lokaliseringer langs den fiberoptiske inngangsbussen 102. Basisen for å velge lokaliseringen av koplerne 108 på inngangsbussen 102 vil bli forklart mer detaljert i det følgende.

En flerhet av optiske fibre 110a, 110b, ... 110n som hver har en første ende som strekker seg gjennom porter til en korresponderende optisk kopler 108a, 108b, ... 108n. De optiske fibrene 110 innbefatter fiberoptiske sensorer som er anordnet i omgivelsen for å være følsom for og bli påvirket av endringer i omgivelsestilstanden som omgir sensorene 110. Her som såvel i det alt vesentlige av de andre utførelsene av oppfinnelsen kan innretninger såsom transdusere være forbundet med de optiske fibrene i systemet og bli brukt som sensorer 110 for å reagere på omgivelseseffekter ved å påvirke strømmen av lys gjennom disse optiske fibre. F.eks. kan en akustisk transduser være forbundet med en optisk fiber 110 for å øke den akustiske sensitiviteten til denne fiber.

Den andre enden av hver av sensorene 110 passerer gjennom en av en flerhet av retningskoplere 112a, 112b .... 112n. Kopiere 112 er anordnet med valgte lokaliseringer på en fiberoptisk returbuss 114, og bringer sensorene 110 til optisk koplingsforhold med returbussen 114. Det vil forstås at de ovenfor beskrevne forhold definerer et stigenettverk for sensorarmen til avfølingssystemet.

En flerhet av retningskoplere 116a, 116b, ... 116n er også anordnet på returbussen 114, men atskilt fra sensorstigenettverket. Hver av koplerne 116 er også posisjonert i valgte lokaliseringer langs returbussen 114, hvilket vil bli beskrevet mer fullstendig i det etterfølgende.

En første ende av en flerhet av optiske fibersegmenter 118a, 118b, ... 118n er festet innenfor hver retningskopler 116 for å være optisk koplet til returbussen 114. En retningskopler 120a, 120b, .... 120n er festet til den andre enden av hver av de optiske fibersegmenter 118. Enden av en av en flerhet av tilleggsoptiske fibersegmenter 122a, 122b, ... 122n er også festet innenfor hver av retningskoplerne 120. Hver av de optiske fibersegmentene 122 er festet ved sine andre ender til retningskoplere 124a, 124b, ... 124n som hver er posisjonert ved valgte lokaliseringer langs forsinkelseslinjen 106 for å kople optiske signaler fra forsinkelseslinjen 106 til fibersegmentene 122.

En detektor 126a, 126b, ... 126n er optisk forbundet med den andre enden av hvert fiberoptisk segment 118 eller 122. Detektorer 126 fungerer for å motta det optiske signalet fra fibrene 118 eller 122 etter at signalene i fibrene 118 og 122 er koplet i kopiere 120. Spesielt kan en foretrukket utførelse av en detektor for anvendelse i systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatte en modell "HAD1100"-detektor, kommersielt tilgjengelig fra E.G. & G. Corp., 35 Congress Street, Salem, Massachusetts.

De forskjellige komponentene i systemet på figur 1 er lokalisert i systemet som en funksjon av koherenslengden til lyskilden 100. Spesielt må differansen mellom lengdene til de optiske banene gjennom sensorene som målt mellom koplerne 108a og 112a være større enn en koherenslengde til lyskilden 100 slik at intensitetsmodulasjon ikke finner sted når lys som blir sendt fra lyskilden 100 gjennom hver av sensorene 110 blir oppsamlet på fiberreturbussen 114. Således må den optiske banelengden til sensor 110b definert fra kopler 108a til 108b gå gjennom fiberen 110b til kopler 112b til kopler 112a være i det minste en koherenslengde (Lc) til lyskilden 100 større enn den optiske banelengden til sensor 110a definert fra kopler 108a gjennom fiber 110a til kopler 112a.

Lengdene til hver optisk bane definert av forsinkelseslinje 106 og de optiske fibersegmentene 122 (indikert som Lj, L2, ... Ln) være hovedsakelig slik at den passer til den korresponderende optiske sensorbanelengde (lj_, I2, ... ln). Ettersom utilpasning øker mellom banelengden til en gitt sensor (ln) og den korresponderende banelengde (Ln), vil egenskapen til det avfølte signalet til å interferere med referansesignalet og produsere et nøyaktig fasedifferansesignal bli redusert omtrent eksponensialt.

I drift blir et optisk signal tilveiebrakt fra lyskilden 100 til den optiske inngangsbussen 102. Det optiske signalet i buss 102 blir delvis koplet av retningskopleren 104 inn i den fiberoptiske forsinkelseslinjen 106 hvor det fungerer som et referansesignal. Deler av det optiske signalet fortsetter å forplante seg gjennom inngangsbuss 102 og blir koplet via kopiere 108 til sensorer 110, hvor omgivelsesinformasjon blir innført i lyset i form av modifikasjoner av den optiske fase forårsaket av . endringer i sensorer 110 som et resultat av disse eksterne omgivelsespåvirkninger.

De optiske signalene fra hver sensorene 110 ble koplet via retningskoplere 112 til den fiberoptiske returbussen 114. Det er å merke seg at når differansen i sensorens optiske banelengde er mye større enn Lc, finner ikke intensitetsmodulasjon sted ved oppsamling av de optiske signalene på den fiberoptiske returbussen 114, og således interfererer ikke signalene med hverandre.

De optiske signalene som forplanter seg ned returbussen 114 blir delvis koplet ved hver av retningskoplerne 116 til de optiske fibersegmentene 118 hvor signalene blir tilpasset i kopiere 120 mot referansesignaler som er blitt koplet fra forsinkelseslinje 106 via retningskoplere 124 til optiske fibersegmenter 122 som er festet i koplerne 120. Siden sensor-banelengden ln i hovedsak er tilpasset den korresponderende referanse-banelengde Ln, og antatt at det ikke er noen påvirkning på signalene på grunn av tap i kopiere og andre elementer i systemet, så bør den relative fase til signalene sammenliknet i kopiere 120 være uendret dersom ikke omgivelsespåvirkninger har virket på en av de optiske banene. Forsinkelseslinjen 106 er fortrinnsvis skjermet fra omgivelsespåvirkning, mens i det minste sensordelen 110 til sensorbanen er utsatt for omgivelses påvirkninger. Således reprsenterer fasedifferansesignalene som sendes gjennom detektorene 126 omgivelsestilstander som har påvirket fasen til det optiske signalet sendt gjennom den tilhørende sensorbane.

Uten å skjerme inngangsbussen 102 og returbussen 114 ser hver detektor 126 ikke bare omgivelsesinformasjon fra hver sensor 110, men også informasjon fra inngangsbussen 102 og utgangsbussen 114. En måte å oppnå omgivelsesinformasjon som relaterer seg til bestemte sensorer uten å skjerme inngangsbussen 102 og utgangsbussen 114 er å elektronisk subtrahere signaler mottatt av tilliggende detektorer såsom 126a og 126b. Differansesignalet frembrakt ved slik subtraksjon er uavhengig av fasevariasjoner indusert på inngangsbussen 102 og utgangsbussen 114 siden disse fasevariasjoner ville ha vært representert i begge signalene mottatt fra de tilliggende detektorene. Den eneste informasjon som ikke er felles for begge signalene er informasjonen som er brakt i signalene, mens de forplanter seg de separate banene gjennom de forskjellige sensorene 110a og 110b og delen av inngangs- og utgangsbusser 102 og 114 mellom sensorene 110a og 110b. Således representerer signalet frembrakt ved slik subtraksjon bare hvordan disse fasevariasjoner som eksisterer i området mellom de tilliggende sensorene 110a og 110b endrer seg over dette området. Således vil som reaksjon på en omgivelsespåvirkning som påvirker tilliggende sensorer identisk, subtraksjonsprosessen ikke frembringe noen endring i utgangssignalet. I lys av det ovenstående vil det ses at utførelsen på figur 1 tilveiebringer en innretning ved hjelp av hvilken omgivelsespåvirkningen på hver sensor 110a, 110b, ... 110n individuelt og kontinuerlig kan overvåkes.

I utførelsen på figur 1, så vel som de andre utførelsene beskrevet her, kan etter ønske en frekvensskifter være anordnet i systemet, såsom på forsinkelseslinje 106 på figur 1, mellom kopiere 104 og 124a. Denne frekvensskifter ble brukt til å skifte frekvensen til det optiske signalet på forsinkelseslinje 106 og derfor å gjøre det tilpassede optiske signalet som detekteres av detektorene 126 "heterodynt". Ved denne heterodyn-prosess blir det fasemodulerte optiske signalet som returnerer fra sensorbanene ln ført på utgangsledningen og entrer detektorene 126 som en forholdsvis lavfrekvensfasemodulasjon av et høyere frekvens amplitudemodulert optisk signal. Heterodynprosessen tilveiebringer en fremgangsmåte ved hvilken omgivelseseffekter med lavere frekvens kan forhindres i å redusere systemets følsomhet overfor små signaler i det ønskede frekvensområdet. Således kan disse omgivelseseffekter i det ønskede frekvensområdet bedre bli identifisert.

En foretrukket utførelse av en frekvensskifter som kan aovendes for dette formålet er en Bragg Cell-modulator, som er velkjent innenfor området, og hvorav mange typer er kommersielt tilgjengelige. Slike frekvensskiftere består av masseoptikk som blir innskutt i systemet ved å skille fiberen. Lys blir koplet til og fra slike masseoptiske innretninger ved hjelp av linser. Det er åpenbart at anvendelsen av masseoptikk såsom Bragg Celler for frekvensskiftere øker systemtapet og reduserer total-effektiviteten og ytelseskvaliteten. En annen teknikk for å få til heterodynprosessen i den koherente fordelte sensoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse, uten behov for frekvensskiftere og uten å bli utsatt for tapene som er involvert i anvendelsen av masseoptikk, er beskrevet detaljert i det følgende med referanse til figur 16.

Med hensyn til koplingen av lyssignaler i den foreliggende oppfinnelse, kan en mer detaljert beskrivelse av en foretrukket fiberoptisk retningskopler som kan omfatte kopiere 104, 108 og 112, f.eks. bli tilveiebrakt med referanse til figur 2. Spesielt består denne kopler av to optiske fibertråder merket 150a og 150b på figur 2 av et enkelmodus-fiberoptisk materiale som har en del av kappen fjernet fra en side av seg. De to trådene 150a og 150b er montert i respektive buede spalter 152a og 152b tildannet i respektive blokker 153a og 153b. Trådene 150a og 150b er posisjonert med delene av trådene hvor kappen er blitt fjernet i tett forhold for å danne et samvirkeområde 154 i hvilket lyset blir overført mellom kjernedelene av trådene. Mengden av materiale som er fjernet er slik at kjernedelen til hver tråd 150a og 150b ligger innenfor flyktig-feltet til hverandre. Senter-til-senter-avstanden mellom trådene ved senteret av kopleren er vanligvis mindre enn 2 til 3 kjernediametre.

Det er viktig å merke seg at lyset som overføres mellom trådene i samvirkeområdet 154 er retningsbestemt. Det vil si at i hovedsaken alt lyset påtrykt inngangsport A blir levert til utgangsport B og D uten motrettet kopling til port C. På samme måte blir i hovedsak alt lyset påtrykt inngangsport C levert til utgangsportene B og D. Videre er denne retningsbestemtheten symmetrisk. Således blir lys matet til enten inngangsport B eller inngangsport D levert til utgangsportene A og C. Enn videre er kopleren vesentlig ikke-diskriminerende med hensyn til polarisasjoner, og således oppbevares polarisasjonen til det koplede lyset. Dersom en lysstråle har en vertikal polarisasjon og blir innmatet i port A, så vil f.eks. lyset koplet fra port A til port D, så vel som lyset som passerer rett gjennom fra port A til port B forbli vertikalt polarisert.

Av det foregående vil det ses at kopleren kan fungere som en strålesplitter for å dele det påtrykte lyset i to optiske baner, som det er utført med kopleren 104 på figur 1.

I utførelsen vist på figur 2, har kopleren en koplingseffektivitet som kan varieres basert på posisjoneringen av fiberne i forhold til hverandre. Som brukt her er uttrykket "koplingseffektivitet" definert som effektforholdet til den koplede effekten i forhold til den totale utsendte effekten, uttrykt som en prosentdel. Under henvisning til figur 2, vil f.eks. dersom lys blir påtrykt port A, koplingseffektiviteten være lik forholdet mellom effekten i port D og summen av effekten utsendt på portene B og D.

I parallellutformingen av den fordelte sensoren på figur 1, er det nødvendig med omhyggelig justering av de relative banelengder og av koplingseffektivitetene til koplerne. En foretrukket utførelse av oppfinnelsen som forenkler systemet noe, er vist på figur 3. I utformingen på figur 3 blir et optisk signal tilveiebragt fra lyskilde 100 til fiberoptisk inngangsbuss 102 hvor det blir koplet via retningskoplere 108a - 108n inn i sensorer 110a - 110n, og så gjennom kopiere 112a - 112n inn i den fiberoptiske returbuss 114. Differansen i tilliggende sensoroptiske banelengder bør være større enn kildekoherenslengden til lyskilden 100.

I utførelsen på figur 3, er den optiske kilden pulset for å produsere en inngangspuls 201 som blir fordelt til de forskjellige sensorer 110 via inngangsbuss 102 og retningskoplere 108a - 108n. Ettersom pulsen 201 forplanter seg ned ledning 102 og blir fordelt til de forskjellige sensorer 110, blir en pulsstreng 203 produsert på returbuss 114 idet hver puls i strengen kommer fra en forskjellig sensor 110. Avstanden mellom hver puls i strengen 203 er basert på den optiske banedifferanse mellom% tilliggende sensorer 110. Således vil den første pulsen i strengen korre-spondere med pulsen som ble sendt gjennom sensor 110a, siden denne optiske puls hadde den korteste forplantningstiden mellom lyskilden 110 og returbussen 114. På samme måte vil den andre optiske pulsen korre-spondere til pulsen tilveiebrakt fra sensor 110b, siden denne pulsen hadde den nest korteste optiske banelengden fra lyskilden 100 til returbuss 114. Avstanden mellom pulsene i denne utførelsen er ikke basert på koherenslengden til den optiske kilden, siden dette pulsede systemet ikke er koherensavhengig. Derfor kan en optisk kilde av en hvilken som helst av et stort område koherenslengde bli brukt i denne utførelsen.

Selvfølgelig bør pulslengden til pulsene fra lyskilden 100 bli justert slik at returpulsene fra sensorene ikke overlapper hverandre. Videre bør pulsene fra lyskilden 100 være tidsinnstilt slik at returpulsene fra sensorene ikke overlapper pulser fra den neste samplingen til rekken. F.eks., dersom pulslengden fra lyskilden 100 var for lang, kunne lengden til pulsene sendt fra sensor 110a til returbuss 114 være slik at halen til pulsen ikke ville bli plassert på buss 114 i kopler 112a før den ledende kanten til pulsen fra sensor 110b passerer gjennom kopleren 112a på returbuss 114. På liknende måte vil dersom tidsinnstillingen av pulsene fra lyskilden 100 er for tett, utgangspulsen fra sensor 110a som korresponderer med den andre pulsen fra lyskilden kunne bli sendt på returbussen 114 før utgangspulsen fra sensor 110n som korresponderer med den første pulsen fra lyskilde 100 passerer kopiere 112a på returbussen 114. I begge disse situasjoner vil det være tilsynelatende umulig for en detektor som mottar pulsene fra returbussen 114 å bestemme hvilken sensor disse pulsene er kommet fra.

Pulsstrengen 203 blir sendt langs den fiberoptiske returbuss 114 til inngangen til et Mach-Zehnder-interferometer 200 som består av et par retningskoplere 202 og 204 posisjonert på den fiberoptiske returbussen 114 for å definere en første arm 206 mellom koplerne. En andre lengde av optisk fiber 208 er festet ved en av sine ender til koplerne 202 og 204 for å definere en andre arm av interferometeret mellom kopiere 202 og 204. Forskjellen i optisk banelengde til armer 206 og 208 bør være i hovedsak lik forskjellen mellom optiske banelengder til suksessive sensorer.

Med armlengdene valgt som beskrevet ovenfor, passerer pulsene gjennom interferometeret 200 på en slik måte at delen av den første pulsen fra streng 203 som gjennomløper den lengste armen 210 når kopler 204 i hovedsak samtidig som delen av den andre pulsen fra streng 203 som gjennomløper den kortere armen 206. På samme måte ankommer delen av den andre pulsen som gjennomløper arm 210 i kopleren 204 i hovedsak samtidig med delen av det tredje signalet fra streng 203 som gjennom-løper armen 206. Således vil det ses at interferometeret 200 vil forårsake blanding i den optiske kopleren 204 av inngangssignalene fra tilliggende sensorer.

Det blandede signalet som blir sendt ut fra kopler 204 blir sendt til detektor 212 som er anordnet på den delen av fiberen 208 som strekker seg bak kopler 204. Detektor 212 mottar det blandede signalet som representerer gradienten til omgivelsesparameteret som pårvirker den relaterte sensoren. Dertil egnet måleutstyr (ikke vist) av en type som generelt brukes på området for å overvåke og evaluere slike optiske utgangssignaler er selvfølgelig forbundet med utgangen fra detektorene på hver av utførelsene.

En frekvensskifter 210 kan om ønskelig være plassert i en arm av interferometeret 200 for å frembringe et utgangssignal som er heterodynt på samme måte som tidligere beskrevet med hensyn til utførelsen på figur 1. I den viste utførelse på figur 3, er frekensskifteren 210 anordnet i armen 208 til interferometeret 200.

En annen foretrukket utførelse av det fordelte sensorsystemet er vist på figur 4. I denne utførelse er en lyskilde 100 såsom en kontinuerlig bølge optisk laser optisk koplet til en fiberoptisk inngangsbuss 102 hvorpå er festet en retningskopler 104. I innbyrdes avstand er det også festet langs inngangsbussen 102 en flerhet av optiske kopiere 108 som forbinder optisk bussen 102 med en flerhet av sensorer 110, som i seg selv er optisk koplet via en flerhet av optiske kopiere til en fiberoptisk returbuss 114. Denne utforming korresponderer med stigenettverket til sensorarmen i utførelsen vist på figur 1. Igjen, likesom i systemet på figur 1, bør forskjellen mellom de optiske banelengder til tilliggende sensorer være større enn kildekoherenslengden til lyskilden 100.

En ende av en fiberoptisk forsinkelseslinje 250 er festet i kopleren 104 for å være i optisk koplingsforhold ved inngangsbuss 102. Fra retningskopler 104 blir den fiberoptiske forsinkelseslinjen 250 optisk forbundet med en variabel forsinkelseslinje 254. Den variable forsinkelseslinjen som er vist kan bestå av masseoptikk. F.eks. kan et roterbart speilarrange-ment bli brukt for å endre den optiske banen og således variere signal-forsinkelsen. For små lengdevariasjoner kan en del av fiberen 250 være festet omkring et stykke av PZT som blir brakt til å utvide seg eller trekke seg sammen for å kunne strekke eller redusere den optiske banelengden til fiberen 250.

Fortrinnsvis kan en helfiberoptisk forsinkelseslinje bli anvendt i den foreliggende oppfinnelse. En foretrukket utførelse av en fiberoptisk variabel forsinkelseslinje som kan anvendes ved den foreliggende oppfinnelse er vist i den parallelle patentsøknad PCT/US82/01609, inngitt 12. november 1982 og med tittel "Continuously Variable Fiber Optic Delay Line". Denne søknad ble publisert 24. mai 1984 som internasjonal publikasjon nr. WO 84/02006. Denne søknad tilhører søkeren i foreliggende sak. Den variable fiberoptiske forsinkelseslinje er også beskrevet i . J.E. Bowers et al., "Fibre-Optic Variable Delay Lines"l, Electronics Letters, vol. 18, nr. 23, s. 999-1000, (11. november 1982). Referansen ovenfor er herved innlemmet i saken. En foretrukket utførelse av den fiberoptiske forsinkelseslinje som det er referert til i disse referansene er beskrevet mer detaljert i det følgende.

Den variable forsinkelseslinje 254 blir optisk forbundet med en ende av en annen optiske fiber 251 som er festet med sin andre ende i kopleren 252, og derved er i optisk koplingsforhold med returbussen 114. En detektor 256 er optisk forbundet med enden av returbuss 114 eller med fiberen 251 slik at den mottar interferenssignalet frembrakt ved koplingen av signalet fra buss 114 og signalet fra ledning 251 i kopler 252. Annet utstyr for behandling og evaluering av optiske signaler kan være forbundet med detektor 256.

I drift blir et optisk signal i form av en kontinuerlig bølge sendt fra lyskilde 100 gjennom inngangsbuss 102 til kopler 104. En del av det optiske signalet fortsetter å forplante seg på inngangsbuss 102 og blir sendt via kopiere 108 gjennom sensorer 110 og kopiere 112 til den fiberoptiske returbuss 114 på samme måte som beskrevet tidligere med henvisning til figur 1.

Fra kopler 104 forplanter en del av det optiske signalet fra lyskilde 100 seg gjennom forsinkelseslinje 250, gjennom den variable forsinkelseslinje 254 og gjennom den optiske fiberen 251 til kopler 252 hvor det interfererer med signalet på returbuss 114 for å frembringe et signal som inneholder faseforskjellen mellom signalene på buss 114 og fiber 251.

Den variable forsinkelseslinje 254 blir drevet slik at den på effektiv måte endrer den optiske banelengden til fiberforsinkelseslinjen 250 og derved bringer den optiske banelengden til forsinkelseslinjen 250 til en tilpas-ning ved et punkt med hver av de forskjellige optiske banene definert gjennom sensorene 110. Ved dette punkt interfererer det optiske signalet fra en bestemt sensor 110 med signalet på ledning 251 og frembringer faseforskjellssignalet som beskrevet ovenfor, hvilket tilveiebringer informasjon som definerer omgivelsestilstanden som påvirker denne sensor. Frekvensen hvorved hver sensor blir overvåket på denne måte er avhengig av hastigheten som den variable forsinkelseslinjen 254 blir drevet med. En slik fremgangsmåte er mindre hensiktsmessig når de relative forsinkelser mellom signalene til de forskjellige sensorene er store, siden den variable forsinkelseslinjen 254 vil trenge et stort område for å kunne tilpasses de optiske banelengdene til alle banene definert av de forskjellige sensorene.

Etter valg kan en frekvensskifter 258 være innbefattet i fiberforsinkelseslinjen 250 i utførelsen på figur 4 og derved tilveiebringes et heterodynsignal slik som tidligere forklart med henvisning til figur 1.

Selv om utførelsen på figur 4 ikke behøver å være tilgjengelig for anvendelse ved sensorsystemer som involverer store relative forsinkelser mellom sensorene, er den ideell for et forovermatende system av typen som illustrert på figur 5. Med henvisning spesielt til figur 5 omfatter denne utførelse av systemet en lyskilde 100 som tilveiebringer et optisk signal som blir sendt til en strålesplitter 300 som etter valg er forbundet slik at den sender i det minste en del av det optiske signalet til en polarisator 302. I en foretrukket utførelse er polarisatoren 302 utført som en masseoptisk polarisator såsom et stykke av arkpolarisator som er plassert i ledningen med det optiske signalet for å polarisere signalet i den ønskede retningen. Fra polarisatoren 302 passerer signalet gjennom en linse 304 som retter det optiske signalet inn i enden av en dobbeltbrytende optisk fiber 306.

Den dobbeltbrytende fiber 306 innehar to polarisasjonsakser som fungerer slik at de fører det polariserte lyset på stort sett samme måte som inngangs- og returbussene 102 og 114 i parallellsystemet beskrevet ovenfor. Optiske avtapninger 308a - 308n er anordnet i den dobbeltbrytende fiberen ved utvalgte steder for å kunne kople de polariserte optiske signaler mellom de to polarisasjonsaksene til fiberen. Som ved utførelsen i det parallelle systemet som ikke anvender en pulset laserlys-kilde, bør forskjellen i optiske banelengder mellom lyskilden og hver av hvilke som helst to tilliggende avtapninger være større enn kildekoherenslengden til lyskilden. En foretrukket type avtapning som kan anvendes i utførelsen på figur 5 er beskrevet detaljert i R.C. Youngquist, J. Brooks og H. Shaw, "Birefringment-Fiber Polarization Coupler", Optics Letters, vol. 8, s. 656 (desember 1983). Denne referanse er herved innlemmet. Videre er avtapningen som er vist i nevnte referanse beskrevet mer detaljert i det etterfølgende med henvisning til figurene 27 og 28.

Utgangssignalet fra den dobbeltbrytende fiberen 306 blir sendt gjennom en linse 310 for å oversendes til en krysset polarisator 312 som innbefatter en polarisator som kan være identisk med polarisatoren 302 unntatt for at den er orientert i rette vinkler i forhold til polarisatoren 302 og derved forhindrer passasje av lys med en polarisasjon som ikke ble stoppet av polarisatoren 302. Således innbefatter lyset som sendes gjennom den kryssede polarisatoren 312 en gruppe av ikke-interfererende optiske signaler som hvert identifiserer omgivelsestilstandene som har påvirket spesielle deler av den dobbeltbrytende fiberen 306 som de har gjennomløpt.

Utgangssignalet fra den kryssede polarisatoren 312 blir sendt til en annen strålesplitter 314 som kan være identisk med strålesplitteren 300. En del av signalet som kommer inn i strålesplitteren 314 blir sendt igjennom denne til en detektor 320 som selv er forbundet med over-våkings- og evalueringsinnretninger (ikke vist) for å detektere faseforskjeller og for å relatere disse faseforskjeller til omgivelsestilstander som påvirket den dobbeltbrytende fiberen for å frembringe disse.

Med henvisning igjen til strålesplitter 300, blir delen av lys som sendes fra lyskilden 100 som ikke blir sendt gjennom strålesplitteren 300 sendt gjennom en annen linse 315 som retter signalet inn i enden av en optisk fiber 316. Fiberen 316 er forbundet med en variabel forsinkelseslinje 318 som kan være av den fiberoptiske typen som er referert til tidligere, eller den kan bestå av masseoptikk som anvender en speilutførelse på en måte som er velkjent på området. Fra den variable forsinkelseslinje 318 blir det optiske signalet fortrinnsvis sendt gjennom en linse 313 til strålesplitteren 314 hvor det blir blandet med signalet som blir sendt fra polarisatoren 312 og det resulterende fasedifferansesignalet blir mottatt av detektoren 320.

Lyssignalet som blir sendt fra strålesplitteren 300 gjennom den optiske fiberen 316 består av et referansesignalet som blir sammenliknet med signalet som forplanter seg i en korresponderende optisk banelengde gjennom fiberen 308. På denne måte identifiserer systemet skiftninger i fase mellom de to signaler forårsaket av omgivelsespåvirkning på den dobbeltbrytende fiberen. De forskjellige optiske banelengder gjennom fiberen 308 er tilveiebrakt i referansesignalarmen til innretningen ved anvendelse av den variable forsinkelseslinje 318. Således scanner referansesignalarmen de forskjellige fiberlengdene som er av interesse og frembringer optiske signaler som vil interferere i strålesplitter 314 med optiske signaler til en korresponderende optisk banelengde i fiberen 308. Siden de to polarisasjonsaksene til den dobbeltbrytende fiberen 306 har like gruppehastigheter, behøver ikke den variable forsinkelseslinjen å scanne over et stort område, idet det nå finnes lasere med en koherenslengde som er kort nok slik at avtapninger kan plasseres i rimelig nærhet av hverandre (omtrent en meter fra hverandre) uten at de påvirker hverandre i merkbar grad.

I systemet på figur 5 kan omgivelsesparametre som påvirker de to fiberpolarisasjonene forskjellig bli detektert. Etter valg kan en frekvensskifter 322 være tilveiebrakt mellom utgangen til den variable forsinkelseslinje 318 og strålesplitteren 314 for å tilveiebringe et heterodynsignal, som beskrevet tidligere under henvisning til figur 1.

På figur 6 er en annen utførelse av det fordelte sensorsystemet vist. Systemet på figur 6 er utformet for å måle den tidsderiverte til omgivelsesparameteren som påvirker sensorene. Dette system anvender en pulset lyskilde 100 som kan bestå av enten en kontinuerlig bølgelaser som blir elektronisk eller mekanisk pulset, eller en selvpulsende laser. Lyskilde 100 produserer et optisk signal som omfatter en puls som blir sendt til en strålesplitter 350 slik at i det minste en del av det optiske signalet sendes gjennom strålesplitteren 350 og gjennom en linse 352 til en optisk fiberinngangsbuss 102. Det pulsede signalet fra inngangsbuss 102 blir så sendt gjennom kopiere 108 til sensorer 110 og så gjennom kopiere 112 til en optisk returbuss 354 som inkluderer en forsinket del generelt angitt med 356 som er plassert mellom den første sensoren 110a og returbanen til strålesplitteren 350. Signalet sendes gjennom den forsinkede delen 356 og gjennom en linse 358 til strålesplitteren 350. En retningskopler kan anvendes i stedet for strålesplitteren 350, hvilket fjerner behovet for linsene 352, 358 og 360.

Ved tidspunktet når signalet fra lyskilden 100 blir utsatt for strålesplitteren 350 vil en del av signalet bli sendt nedover gjennom linsen 358 og inn i fiberforsinkelsesdelen 356 til returledning 354. Ved passasje gjennom den forsinkede delen 356 blir signalet sendt gjennom kopiere 112 til sensorer 110 og så gjennom kopiere 108 til den fiberoptiske inngangsbuss 102. Signalet blir så sendt gjennom linsen 352 til strålesplitteren 350. Det er å merke seg at pulsen som forplanter seg fra inngangsbussen 102 gjennom en gitt sensor 110 og så gjennom fiberforsinkelseslinjen 356 tilbake til strålesplitteren 350 gjennomløper den samme optiske banen som pulsen som forplanter seg først gjennom forsinkelseslinjedelen 356 og så gjennom den samme sensoren 110 tilbake gjennom inngangsledning 102 til strålesplitteren 350. Således vil de to pulsene ankomme i strålesplitteren 350 stort sett samtidig og interferere med hverandre og tilveiebringe et signal på utgangen til strålesplitteren 350 som inneholder faseforskjellen til de interfererende signalene. Siden disse interfererende signaler entret rekken samtidig, men har passert gjennom den samme sensoren i forskjellige tidspunkter, vil pulsen som entret rekken først, sample omgivelsene tidligere enn pulsen som er forsinket. Som et resultat, er fasedifferansesignalet frembrakt i strålesplitteren 350 av de to interfererende signalene representativt for endringer i omgivelsene detektert av sensoren over tid.

Fasedifferansesignalet fra strålesplitteren 350 blir sendt gjennom en valgfri linse 360 til en detektor 370. Detektoren 370 kan være forbundet til annet konvensjonelt overvåknings- og evalueringsutstyr for anvendelse ved å bestemme omgivelsestilstandene i de forskjellige sensorene.

Etter valg kan en fasemodulator 364 være innbefattet i returledningen 354 mellom linsen 358 og forsinkelseslinjen 356. Denne fasemodulator kan bli brukt for å bedre sensitiviteten til systemet på en måte som er velkjent i forbindelse med Sagnac'sk fiberoptiske gyroskop. Slike teknikker er forklart i f.eks. R. Ulrich, "Fiber Optic Rotation Sensor With Low Drift", Optics Letters, vol. 5, s. 173-175, (1980), som herved er innlemmet som referanse. Alternativt kan fasemodulatoren bli brukt for å generere et frekvensendret signal i samsvar med fremgangsmåten forklart her med henvisning til figur 11.

Det er å merke seg at i systemet på figur 6, likesom arrangementet på figur 3, er det optiske signalet et pulset signal. Derfor er posisjoneringen av koplerne 108 og sensorene 110 ikke avhengig av kildekoherenslengden til lyskilden. Likesom for den pulsede utførelse på figur 3, bør imidlertid pulsene fra lyskilden 100 være tidsinnstilt slik at pulsene som returnerer til strålesplitteren 350 fra sensorene ikke overlapper hverandre, eller interfererer med pulser frembrakt av den neste pulsen fra lyskilden 100.

Geometrien til sensorsystemet på figur 6 har fordelen at lysbanene til de to signalene som blir sendt fra strålesplitteren 350 er identiske og at det således oppnås lett god interferens mellom de to pulsene. En ulempe med denne måten er at den er frekvensavhengig slik at endringer i omgivelsene som skjer sakte sammenliknet med den relative pulsforsinkelse, er vanskelige å oppdage. Lange fiberlengder vil være nødvendige for å detektere sakte endrende signaler såsom audiosignaler.

Hver av utførelsene beskrevet ovenfor definerer fordelte rekker av fiberoptiske sensorer som kan overvåkes ved anvendelse av en signalkilde med kort koherenslengde samtidig som det fremdeles tillates at utgangssignalet fra sensoren kan gjøres heterodynt. Videre tilveiebringer utførelsene som anvender en signalkilde med kontinuerlig bølge en ny teknikk for demultipleksing av sensorene. Denne teknikk består i separasjonen av sensorene med en avstand som er vesentlig større enn koherenslengden til den optiske kilden, og så plasseres de interferometriske blandere (kopiere) veloverveid i de sentrale behandlingslokalise-ringer slik at sensorene kan overvåkes kontinuerlig, idet deres utganger er separert slik at utgangssignalet fra en bestemt sensor umiddelbart kan identifiseres.

En annen utforming av det fordelte sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse er referert til som en "serieutforming" eller "seriesystem" som innehar trådufølsomhet, men som er utsatt for mere støy enn parallellsystemet. Den inventive enhet til dette seriesystem overlapper, men er ikke identisk med den inventive enhet til parallellsystemet.

En foretrukket utførelse av seriesystemet kan beskrives med henvisning til figur 7 som illustrerer et enkelt to-sensorsystem for forklaringsformål. Det vil imidlertid være klart at i hovedsak ethvert antall sensorer kan anvendes i rekken ved ganske enkelt å utvide utformingen illustrert på figur 7. Utførelsen på figur 7 innbefatter en lyskilde 100, såsom en laserdiode som fortrinnsvis frembringer et optisk signal i form av en kontinuerlig bølge med en kort koherenslengde. Lyskilden 100 er etter valg forbundet med en optisk fiber 402 som i den foretrukne utførelse er enkelmodusfiber.

En flerhet av Mach-Zehnder-interferometre definerer sensorer, generelt angitt som 404, 406, som er posisjonert på fiberen 402. Hver sensor 404, 406 omfatter en inngangsoptisk kopler 407a, 407b og en utgangsoptisk kopler 408a, 408b som er anordnet i koplingsarrangement på den optiske fiberen 402. Delen av fiberen 402 som befinner seg mellom koplerne 407, 408 i hver av sensorene 404 og 406 definerer respektive armer 409 og 411 til disse sensorer. Hver av sensorene 404, 406 har et optisk fibersegment som innbefatter en interferometrisk arm 410 og 412 respektivt som er forbundet med hver av sine ender til en av koplerne 407 og 408 for å være optisk koplet til fiberen 402 i disse koplingssteder.

Lengdeforskjellene mellom armene 409 og 410 eller 411 og 412 definerer optiske baneforskjeller som har lengder 1^eller I2, respektivt, som er forskjellig for hver sensor. De optiske banelengdedifferansene (lj og I2) er mye større enn kildekoherenslengden (Lc) til lyskilden 100, slik at en endring i den relative fasen mellom armene 409 og 410 eller 411 og 412 til en gitt sensor 404 eller 406 ikke vil bli omformet til detektert intensitetsmodulasjon på sensorutgangen. For en flerhet av sensorer er de relative banelengdedifferanser lj og I2valgt i samsvar med en prosedyre som er forklart detaljert i det etterfølgende som et utformingsforslag.

Fra kopleren 408b strekker fiberen 402 seg til en annen optisk kopler 414 som er festet på fiberen 402 og til enden av en optisk fiber 416 for å bringe fiberen 416 til koplingskontakt med fiberen 402. Fra kopleren 414 er fiberen 402 videre optisk forbundet med et Mach-Zehnder-interferometer som omfatter en mottaker 418 som i seg selv omfatter et par av optiske kopiere 422a og 424a som er posisjonert i en koplingsutforming på fiber 402 for å definere en første mottakerarm 426 som omfatter delen av fiberen 402 som strekker seg mellom koplerne 422a og 424a. En andre mottakerarom 428 omfatter et segment av optisk fiber som er forbundet nær hver av sine ender til optiske kopiere 422a og 424a for å være optisk koplet ved hvert av disse stedene til den optiske fiberen 402.

Et annet Mach-Zehnder-interferometer omfatter en mottaker 420 som i seg selv omfatter et par optiske kopiere 422b og 424b som er posisjonert på den optiske fiberen 416 i en koplingsutforming som definerer en første mottakerarm 430 som omfatter den delen av fiberen 416 som strekker seg mellom koplerne 422b og 424b. En andre mottakerarm 432 omfatter et segment av optisk fiber som er forbundet nær hver av sine ender til kopiere 422b og 424b for å være optisk koplet til fiberen 416 ved hver av disse stedene.

Den optiske banedifferansen L\til armene til 426 og 428 i mottakeren 418 bør så være tilpasset så nært som mulig den optiske banedifferansen lj til armene 409 og 410 til sensoren 404 slik at et optisk signal fra lyskilden 100 som passerer gjennom armene 409 og 410 kan bli separert fra andre signaler i systemet av armene 426 og 428 til mottakeren 418. Desto bedre tilpasningen mellom de optiske banedifferansene I4og 1^er, desto bedre blir interferensen i kopleren 424, som indikerer fasedifferansen mellom lyset i armene 426 og 428. Ettersom differansen mellom Lj og li øker, blir interferensen i kopler 424a dårligere og dette skjer i et forhold som varierer eksponensielt med avstanden mellom disse optiske banedifferanser. Dette gjelder selvfølgelig også for forskjellen mellom den optiske banedifferanse L2til armene 430 og 432 sammenliknet med den optiske banedifferansen I2til armer 411 og 412 til sensor 406. Igjen må L2være tilpasset så godt som mulig til I2.

Mer spesielt vil i systemet på figur 7, dersom kildekoherenslengden er mye kortere enn noen av de optiske sensorbanedifferansene og dersom differansen mellom de optiske banedifferansene til sensorene, såsom lj og 12»er riktig innstilt selv om det er atskillige optiske baner tilgjengelig gjennom sensorsystemet, vil det bare være visse baner gjennom systemet som vil frembringe signaler som interfererer i en gitt utgangskopler 424 av mottakerne.

F.eks. vil et første lyssignal som forplanter seg i den optiske banen definert av optisk fiber 402, arm 410 til sensor 404, arm 411 til sensor 406 og arm 426 til mottaker 418 inneholde informasjon som representerer omgivelsestilstander som påvirker sensor 404. Dersom den optiske banedifferansen til arm 410 i forhold til arm 409 er tett tilpasset til samme for arm 428 i forhold til arm 426, så vil det optiske referansesignalet som tilveiebringer interferens i kopler 424a forplanter seg den optiske banen definert av fiberen 402, arm 409 til sensor 404, arm 411 til sensor 406 og arm 428 til sensor 418. De to optiske banene definert ovenfor, vil selv om de strekker seg gjennom forskjellige systemelemen-ter være hovedsakelig identiske i lengde. På den annen side vil alle andre optiske baner gjennom systemet ha forskjellige lengder enn denne og vil således ikke interferere med lys som gjennomløper disse to baner. De eneste andre baner som interfererer med hverandre, er de som frembringes ved å erstatte arm 411 med arm 412 i forklaringen ovenfor. Dette par av interfererende baner fører den samme omgivelsesinformasjon som de andre parene av baner slik at interferenssignalet frembrakt av det sistnevnte baneparet forsterker signalet frembrakt av det første baneparet. Siden systemet er utformet i samsvar med konstruksjonsbetrakt-ninger forklart senere, vil ikke andre banepar interferere.

Signalet frembrakt av de interfererende lysbølgene gjennom kopler 424a beskriver fasedifferansen mellom disse lysbølger og representerer påvirkningen av omgivelsestilstander på armen 410 til sensor 404. Denne informasjon blir sendt fra kopler 424a til en detektor 434 som gjør den tilgjengelig for konvensjonell overvåknings- og evalueringsutstyr (ikke vist) som kan være tilkoplet.

Selv om tilstandene som omgir produksjonen av et fasedifferanseutgangs-signal fra mottakeren 418 er blitt beskrevet ovenfor, vil det forstås at den samme type forklaring vil passe på genereringen av et fasediffe-ranseutgangssignal fra mottaker 420 som identifiserer omgivelsestilstands-påvirkning av armen 412 i forhold til armen 411 til sensor 406.

I serieutformingen på figur 7, er mottakerne 418 og 420 fortrinnsvis skjermet fra omgivelsestilstander som kan påvirke fasen til lysbølgene som sendes gjennom disse. Det er ikke behov for annen type skjerming for dette formålet i seriesystemet siden systemet er ufølsomt overfor omgivelsene unntatt ved selve sensorene. Denne ufølsomhet skyldes det faktum at de optiske signalene i systemet blir sendt langs en felles bane unntatt når det gjelder banene definert av sensorene. Således vil omgivelsespåvirkning som påvirker lyssignalene på den felles banen ikke frembringe noen endringer i fasedifferansen mellom lyssignalene i disse baner. De eneste endringer i fasedifferanse som ble frembrakt skjer i selve sensorene siden lyset forplanter seg i forskjellige baner.

Utformingen beskrevet med referanse tilfigur 7 omfatter en representativ utførelse av en serieutforming. Det vil forstås at denne utforming kan utvides etter behov ved å addere ytterligere sensorer på ledning 402 i serie med sensorene som er tilstede der i en tilsvarende utforming og ved å tilveiebringe tilleggskoplere såsom kopler 414 enten på ledning 402 eller på ledninger såsom 416, hvilket tilveiebringer innganger for tilleggsmottakere som er utformet på samme måte som mottakerne 418 og 420.

På grunnlag av beskrivelsen ovenfor blir det klart at serieutformingen, såsom den er illustrert på figur 7, definerer et fordelt sensorsystem som er ledeufølsomt og derfor bare krever et minimum av omgivelsesskjerming. Denne serieutforming beskriver også et helfiberoptisk sensorsystem som tillater kontinuerlig overvåkning av hver sensor i systemet.

Det er å merke seg med hensyn til systemet på figur 7 at hver sensor har en fri ende fra hvilken lys kan unnslippe. Selv om dette introduserer tap, er det ikke et alvorlig problem siden, selv for et stort antall sensorer, så kan effekttapet bli holdt relativt beskjedent ved riktig valg av koplingskonstanter til retningskoplerne. Fremgangsmåten for å velge disse koplingskonstanter er forklart detaljert i det etterfølgende.

I prinsippet kunne man unngå tapet av effekt fra de avdekkede endene av sensorene på figur 7 ved å tilveiebringe et system, såsom illustrert på figur 8, i hvilket fiberne fra begge porter til hver sensor fortsetter for å danne den neste sensoren. Således er utformingen på figur 7 modifisert ved å erstatte koplerne 408a og 407b med en enkelt kopler 440, som tilveiebringer forbindelse mellom arm 410 til sensor 404 og arm 412 til sensor 406 ved å danne disse armene som del av en kontinuerlig optisk fiber som er benevnt som optisk fiber 442. I tillegg er det anordnet en optisk kopler 444 på den optiske fiberen 442 for optisk å kople en del av lyset fra fiberen 442 inn i en optisk fiber 446 som omfatter en utvidelse av arm 432 til mottaker 420.

Selv om det ville skje at et slikt system kunne fjerne tap, vil i dette system rt/2-faseskiftet som opptrer når lys koples med to fibre bli viktig. Lys fra en inngangsport til avfølingsinterferometeret entrer den lengste armen forsinket med n/2 i forhold til lys som entrer den korteste armen. Lys fra den andre inngangsporten entrer den korteste armen med en relativ forsinkelse på n/2 radianer. Denne forskjell i relative forsinkelser fører til kansellering mellom signalene tilknyttet lys som entrer hver av de to inngangsportene slik at dersom alle koplerne blir innstilt med en koplingskoeffisient som sender 50% av det optiske signalet mellom de koplede fiberne, så vil bare den første sensoren frembringe et signal i det hele tatt.

Dersom koplingskoeffisientene blir justert til mer egnede verdier, så vil denne typen system kunne produsere et noe sterkere signal enn det som ble frembrakt av et diskontinuerlig system, men et slikt signal blir fremskaffet på bekostning av at avfølingsinterferometrene innbefatter hele lengden av fiber mellom de ønskede avfølingslokaliseringer. Dette betyr også at skjerming må tilføres de parallelle fiberne som ikke omfatter interferometeret ellers vil de optiske signalene som ankommer i mottakerne ikke bare gjengi omgivelsestilstander som påvirket sensorene, men også de tilstander som påvirket de parallelle optiske fiberne som strekker seg mellom sensorene og mottakerne. Man kunne også etter valg anvende ekstra interferometre uten korresponderende mottakere som ledd mellom de flere lokaliserte sensorer ved bestemte interessante punkter, men tilføyelsen av slike ledd har en tendens til å svekke signal-til-støy - forholdet som tilknyttet hver sensor.

Ikke desto mindre tilveiebringer utførelsen på figur 8 et ønskelig arrangement for valgte anvendelser, spesielt hvor mottakerne 418 og 420 er utformet i parallell, såsom ved utførelsen på figur 7. Med slike parallelle mottakere er kontinuerlig og samtidig overvåkning av hver av sensorene mulig.

I tillegg til å tilveiebringe et temmelig rimelig kompromiss uttrykt ved ytelse for mange anvendelser, så vel som å minimalisere mengden av omgivelsesskjerming som er nødvendig sammenliknet med utførelsen på figur 8, har utformingen til systemet vist på figur 7 også den praktiske fordel at de frie fiberendene forenkler innjusteringskrav ved å tilveiebringe adgang til signalet som er tilstede i enhver sensor eller mottaker gjennom hele systemet.

Selv om parallell- og serie-utformingene beskrevet ovenfor representerer flere av de foretrukne utførelsene av oppfinnelsen, vil det forstås at det er atskillige mulige utforminger av et koherens multiplekset sensornettverk som innehar egenskapene til oppfinnelsen som beskrevet her. F.eks. angir figur 9 et mulig hybrid parallell-serie koherens multiplekset system som innehar ledeufølsomhet som er lik seriesystemet.

Spesielt omfatter utførelsen på figur 9 en lyskilde 100 såsom en laserdiode som er optisk forbundet med en fiberoptisk inngangsbuss 102, som har optiske kopiere 108a, 108b, ... 108n anordnet langs lengden av inngangsbussen 102 i en koplingsutforming. Sikret ved hver av koplerne 108a, 108b, ... 108n for å være i optisk koplingsforhold med inngangsbuss 102, er en ende av en flerhet av fiberoptiske inngangslinjesegmenter 501a, 501b, ... 501n som kopler signalet koplet fra inngangsbussen 102 til inngangen til en av en flerhet av Mach-Zehnder-interferometre som omfatter sensorer 500a, 500b, ... 500n.

Spesielt innbefatter sensorene 500 hver en inngangsoptisk kopler 504a, 504b, ... 504n og en utgangsoptisk kopler 506a, 506b, ... 506n som hver er posisjonert på den optiske fiberen 501 for å definere en første sensorarm 502a, 502b, ... 502n som strekker seg mellom kopiere 504 og 506. En annen optisk fiber er forbundet nær hver av side ender til optiske kopiere 504 og 506 for å være optisk koplet til arm 502 og definerer en andre sensorarm 508a, 508b, ... 508n. Sensorene 500 er hver forbundet med et optisk fibersegment 503a, 503b, ... 503n som

er en videreføring av hver arm 502. De optiske fibersegmentene 503 er hver festet ved hjelp av en korresponderende kopler 112a, 112b, .... 112n som også er festet til en fiberoptisk returbuss 114 for optisk å kople denne returbussen 114 til de optiske fibersegmentene 503.

Den optiske banelengdedifferansen mellom arm 502 og arm 508 må være større enn kildekoherenslengden til lyskilden 100 for enhver sensor. Den optiske banelengdedifferansen mellom armer 502 og 508 i hver av sensorene må være i det minste en kildekoherenslengde forskjellig fra den optiske banelengdedifferansen til enhver annen sensor. Videre er sensorene 500 posisjonert i valgte lokaliseringer langs fiberne 102 og 114 slik at lengden til banen fra kopler 108a til kopler 108b via arm 502b til kopler 500b til kopler 112b og tilbake til kopler 112a må være lenger enn banen fra kopler 108a via arm 508a til sensor 500a til kopler 112a med en mengde som er større enn en koherenslengde til lyskilden 100, og er forskjellig fra banelengdedifferansene 508 og 502 til alle sensorene 500 med i det minste en koherenslengde til lyskilden 100. Liknende krav passer på avstanden mellom andre sensorer. Dette arrangement er nødvendig for å unngå interferens mellom signalene fra forskjellige sensorer på bussen 114.

Returbuss 114 er forbundet via en flerhet av optiske kopiere 509a, 509b, ... 509n med en flerhet av mottakere 510a, 510b, ... 5l0n på en måte som er identisk med forbindelsen av ledning 402 til mottakere 418 og 420 på figur 7. Mottakerne på figur 9 innbefatter inngangsoptiske kopiere 512a, 512b, ... 512n, utgangsoptiske kopiere 514a, 514b, ... 514n, sensorarmer 516a, 516b, ... 5l6n og sensorarmer 518a, 518b, ... 518n.

Likesom ved utformingen på figur 7, er mottakerne på figur 9 hver utformet slik at sensorarmene 516a og 518a har en optisk banelengdedifferanse Lj som er i hovedsak tilpasset den optiske banelengdedifferansen li til armene 502a og 508a som beskrevet med hensyn til banelengdedifferansene Li og lj til utførelsen på figur 7. Videre er den optiske banelengdedifferansen L2til armene 516b og 518b relatert til den optiske banelengdedifferansen Lj til armene 516a og 518a på en måte som er identisk med forholdet mellom de optiske banelengdedifferansene L2og Li til mottakerne 420 og 418 på figur 7.

I drift tilveiebringer lyskilden 100 på figur 9 et optisk signal på den optiske fiberinngangsbussen 102 som er forbundet via kopiere 108 til sensorer 500. Sensorene 500 tilveiebringer hver et optisk signal som er representativt for omgivelsespåvirkning på armer 508 i forhold til armer 502. Dette optiske signal blir sendt via koplerne 112 til returbussen 114 fra hvilken signalene blir koplet til respektive mottakere 510. Som det ble beskrevet med referanse til utførelsen på figur 7, tilveiebringer hver mottager et utgangssignal som korresponderer med faseforskjellen mellom et referansesignal og det optiske signalet som er påvirket av omgivelsestilstandene, mens det passerte gjennom armer 502 og 508 til en valgt sensor 500. Denne utgangsinformasjon blir sendt til en tilhørende detektor 520a, 520b, ... 520n som i seg selv kan være forbundet med konvensjonelt overvåknings- og evalueringsutstyr for behandling og analysering av den avfølte omgivelsesinformasjon.

På grunn av interferometerutformingen anvendt for sensorene 500 på figur 9, vil omgivelsespåvirkninger på deler av systemet som ligger utenfor sensorene 500 ikke påvirke utgangssignalet.

Serieutformingen av det fordelte sensorsystemet kan omfatte lysbaner definert av de ortogonale polarisasjoner i en enkelmodus, dobbeltbrytende fiber, eller ved grunn og andre ordens modus i en to-modusfiber. En foretrukket utførelse av en slik fordelt sensor er vist på figur 10. Utformingen på figur 10 korresponderer funksjonmessig med systemet vist på figur 7, men anvender de ortogonale polarisasjonene til enkelmodus dobbeltbrytende fiber eller de ortogonale modi til to-modusfiber sammen med valgte komponenter for å definere optiske baner som korresponderer med banene til systemet vist på figur 7. De ortogonale modi tilveiebrakt i enkelmodus dobbeltbrytende fiber, eller to-modusfiberen, definerer to baner gjennom fiberen som tillater innretningen å bli brukt som et to-kanalmedium såsom et Mach-Zehnder-interferometer.

Før forklaringen av de strukturelle detaljer og driftsteorien for disse ytterligere utførelser av det fordelte sensorsystemet, og for å assistere i tilveiebringelsen av en forståelse av disse, vil det bli presentert et sammendrag av modusteori for optiske fibre. For forståelsen av den foreliggende oppfinnelse er det tilstrekkelig å anvende den såkalte svakt styrte fiberbetegnelse som ble brukt her.

Når en fiber forplanter lys med en bølgelengde som ligger under avbruddsbølgelengden, vil fiberen begynne å styre høyere ordens modi. Avbruddsbølgelengden Xcer relatert til fibergeometrien og for en trinnindeksfiber kan den beregnes ved å anvende den følgende likning:

hvor r er kjerneradius;

ncbrytningsindeksen til kjernen; og

nci brytningsindeksen til kappen.

Fagkyndige vil innse at grunnmodusen, andre ordens modus, osv. hver omfatter en flerhet av elektriske feltmønstre, idet hvert mønster representerer en modus. F.eks. innbefatter grunnmodusen to polarisasjonsmodi. For å unngå forvirring, vil grunnmodusen bli referert til i det følgende som grunnsettet av modi og den andre ordens modus vil bli referert til som andre ordens sett av modi.

Det laveste ordens- eller grunnsettet av modi som blir styrt er LPq\-modussettet. LPjj-modussettet er det neste modussettet (dvs. andre ordens modussett) som blir styrt bak grunnmodussettet LPqj. Disse modussett blir definert og beskrevet detaljert i en artikkel av D. Gloge med tittel "Weakly Guiding Fiber", Applied Optics, 10, 2252 (1971).

Figur 11 viser feltmønstrene til de to modi i grunn-LPøl-settet av modi og de fire modi i det andre ordens-LPj^-sett av modi. Pilene indikerer retningen til de elektriske feltvektorene ved et bestemt tidspunkt.

For LPqi-settet av grunnmodi er den elektriske feltvektoren enten vertikal og representerer vertikalt polarisert lys, eller horisontal og representerer horisontalt polarisert lys. For LP^-settet av andre ordens modi, vil imidlertid den vertikale polarisasjonen og den horisontale polarisasjonen begge ha to elektriske feltmønstre. Videre omfatter hver av det andre ordens modussett av feltmønstre to lober. I et av disse feltmønstre, er de elektriske feltvektorene til lobene perpendikulære på null elektrisk feltlinjen (ZFL), mens i det andre elektriske feltmønsteret er de elektriske feltvektorene til lobene parallelle med null elektrisk feltlinjen (ZFL). Null elektrisk feltlinjen er ganske enkelt en linje mellom de to lobene i hver av den andre ordens modusmønster som representerer null elektrisk feltamplitude. På samme måte har de horisontalt polariserte andre ordens modi elektriske feltvektorer orientert enten parallelt med ZFL eller perpendikulært på ZFL som vist på figur 11. Hver av de seks elektriske feltmønstre på figur 11, nemlig de to LPqi~mønstre og de fire LP^-mønstre, er ortogonale på hverandre. Således kan de seks mønstrene eller modi anses som uavhengige optiske baner gjennom fiberen som vanligvis ikke koples med hverandre.

De to LPqi-modi vil gjennomløpe fiberen med den samme fasehastighet og de fire andre ordens LP^-modi vil gjennomløpe fiberen med omtrent den samme fasehastigheten. Imidlertid vil fasehastigheten for grunn LPqi~settet av modi være saktere enn fasehastigheten for det andre ordens LP ;q-sett av modi. Således vil lys som forplanter seg i de to sett av modi LPqi, LPn bevege seg inn og ut av fase med hverandre ettersom lyset forplanter seg gjennom fiberen. Hastigheten som modiene LPqi og LPu beveger seg inn og ut av fase avhenger av forskjellen i effektive brytningsindekser mellom de to sett av modi LPqi og LPjj.

Dobbeltbrytningen til en fiber er forskjellig i de effektive brytningsindekser for de to polarisasjonsmodi. Dersom lyskilden er med en bølgelengde som ligger over avbrudd, vil bare de to polarisasjonsmodi innenfor LPq^-settet av modi forplante seg gjennom fiberen. Selv om det ikke er noen forskjell mellom fasehastighetene i disse to polarisasjonsmodi for ikke-dobbeltbrytende fiber, vil forskjellen i brytningsindekser for de to polarisasjonsmodi, og således forskjellen i fasehastig-heter mellom de to modi øke ettersom dobbeltbrytningen til fiberen økes. Siden lys som forplanter seg i dobbeltbrytende fiber forplanter seg med forskjellige hastigheter i forskjellige polarisasjonsmodi, vil den relative fasen mellom lys i en polarisasjonsmodus og lys i den andre polarisa-sjonsmodusen skifte kontinuerlig og derved bringe lyset i de to polarisasjonsmodi til å bevege seg inn og ut av fase med hverandre ettersom lyset forplanter seg gjennom fiberen.

En enkelt høy dobbeltbrytende monomodus optisk fiber er i stand til å opprettholde polarisasjonen til lys som forplanter seg i denne i lange avstander, slik at det ordinært ikke er noen merkbar kopling av lys fra en modus til den andre. Disse polarisasjonsmodi blir generelt referert til som X- og Y-polarisasjonsmodi.

Beat- eller støtlengden til en fiber er avstanden det tar to signaler med den samme frekvensen som forplanter seg i forskjellige forplantningsmodi til fiberen med forskjellige hastigheter å skifte 360°i relativ fase slik at de igjen er i fase. Matematisk kan støtlengden uttrykkes som:

hvor X er den optiske bølgelengden i vakuum; og

An differansen i de effektive indekser til to forplantningsmodi til fiberen.

Dersom dobbeltbrytende fiber blir brukt i den foreliggende oppfinnelse, er An lik differansen i effektive brytningsindekser mellom de to polarisasjonsmodi (X, Y) til LPqi-settet av modi. Dersom to-modusfiberen blir brukt i foreliggende oppfinnelse, er An lik forskjellen i effektive brytningsindekser mellom det første ordenssett av modi (LPqi) og det andre ordenssett av modi (LPjj).

Utformingen av den fordelte sensoren vist på figur 10 korresponderer funksjonsmessig med systemet vist på figur 7. I denne utførelse består imidlertid sensorene og mottakerne av enkelmodus dobbeltbrytende fiber.

Spesielt omfatter figur 10 er lyskilde 100 såsom f.eks. en laserdiode, en superluminescerende diode eller en lysemitterende diode. Lyskilden 100 som er optisk koplet via optisk fiber 702 til en kopler 704 som fungerer for å separere det optiske signalet fra ledning 702 til en vertikal og horisontal polarisasjonsmodus, og kople disse på en første sensor 706 som består av enkelmodus dobbeltbrytende optisk fiber.

Kopiere såsom kopiere 704 blir brukt i atskillige posisjoner i utførelsene som skal forklares her som en innretning for å kople signaler mellom den eneste modus til en enkelmodus enkelpolarisasjonsfiber inn i begge polarisasjoner til en dobbeltbrytende fiber eller omvendt. Slike kopiere for å kombinere eller separere modi vil bli referert til her som polarisasjonskoplere. Det er forskjellige måter for å tilveiebringe slik kopling som er velkjent på området. En foretrukket utførelse for å utføre denne koplingen består i endekopling av fibrene sammen slik at de fysiske aksene til fibrene er kolineære, mens fibrenes polarisasjonsakser ligger i en vinkel i forhold til hverandre. Endekoplingen kan utføres ved hjelp av et antall velkjente prosedyrer såsom sammenliming av fibrene eller å smelte dem sammen.

Vinkelorienteringen av polarisasjonsaksene er analog med koplingskoeffisienten i en konvensjonell retningskopler. Dvs. at ettersom vinkelen blir endret, så vil mer eller mindre lys bli koplet mellom modi i de to fibrene. En vinkel på 45°mellom polarisasjonsaksene er ekvivalent med det vanlige 3 db nivå til 50% koplingskoeffisienten i en konvensjonell retningskopler. For systemet som består av bare en sensor er dette det optimale vinkelvalg. På den annen side, dersom systemet inneholder flere sensorer, så kan vinkelen som er nødvendig for å maksimalisere signal-støyforholdet være forskjellig. Bestemmelse av egnet vinkel kan gjøres ved hjelp av matematisk analyse ved anvendelse av velkjente matematiske prosedyrer, eller det kan utføres ved å undersøke reaksjonen til systemet på forskjellige vinkelforhold for fiberpolarisasjonsaksene.

Ved endekopling av fibrene for å danne kopler 704 er det viktig å finne dobbeltbrytningsaksene til fibrene slik at disse kan innrettes korrekt. For noen fiber kan dette utføres ved å undersøke fibrene med mikroskop for å detektere deres ellipsitet. Andre metoder involverer innføring av lys inn i fiberen og så ser på det spredte lysmønsteret for å bestemme dobbeltbrytningsaksene. Nok en annen metode for å bestemme dobbelt-brytningsaksen er beskrevet av S. Carrara et al., "Elasto-optic Determi-nation of Birefringent Axes in Polarization-Holding Optical Fiber", Third International Conference on Optical Fiber Sensors, (13.-14. februar 1985), San Diego, California. Denne publikasjon er herved innlemmet som referanse.

Carrara med flere-artikkelen foreskriver at anvendelsen av laterale stressprosedyrer resulterer i en dobbeltbrytning som er en kombinasjon av den restoppbygde dobbeltbrytningen og den eksternt induserte dobbeltbrytningen på grunn av stress. Som et resultat av stress eller påkjenning avvviker orienteringen og størrelsen på netto-dobbeltbrytningen generelt fra sine opprinnelige verdier. Dette forårsaker en kopling av noe av den optiske effekten fra en egen polarisasjonsmodus til fiberen til den andre modus hvis ikke retningen til ekstern påkjenning ligger langs en av dobbeltbrytningsaksene. Dersom lyset ved påkjennings-området er lineært polarisert langs en av restdobbeltbrytningsaksene, så vil derfor polarisasjonstilstanden til utgangslyset ikke endres. Dette blir brukt som et mål på orienteringen av dobbeltbrytningsaksene med referanse til deres retning på lateral påkjenning.

Det henvises igjen til figur 10, hvor en annen optisk polarisasjonskopler 708 som korresponderer med utformingen til kopler 704 er optisk koplet til en side av fiber 706 og på den andre siden til en enkelmodusfiber 714 som har en enkelt polarisasjonsmodus. Fibre 706 og 710 blir optisk koplet gjennom kopler 708 slik at signalene i den vertikale og horisontale polarisasjonsmodus til fiberen 706 blir sendt i et enkelt polarisa-sjonsarrangement i fiberen 710.

Den optiske fiber 710 er optisk koplet via en annen polarisasjonskopler 712 til en sensor 714 som består av en enkelt modus dobbeltbrytende fiber 714. Igjen kan kopleren 712 være tildannet som kopler 704. Sensor 714 er koplet via en annen polarisasjonskopler 716 til en annen optisk fiber 718 som fortrinnsvis har en enkelt polarisasjonsmodus i hvilken optiske signaler forplanter seg mellom sensorene og mottakerne i systemet.

Den optiske fiber 718 er optisk koplet gjennom en konvensjonell retningskopler 720 til en enkelmodus enkeltpolarisasjonsfiber 722 i en mottaksarm generelt angitt ved 740. Den optiske fiber 722 blir koplet gjennom en polarisasjonskopler 724 til en mottakerseksjon 726 som består av enkelmodus dobbeltbrytende optisk fiber.

Likesom mottakerne 418 og 420 på figur 7, er mottaker 726 utført med en lengde som i hovedsak korresponderer med lengden til en av sensorene 706 eller 714 slik at den optiske banelengdedifferansen mellom polarisasjonsmodiene i mottaker 726 i hovedsak korresponderer med den optiske banelengdedifferansen mellom polarisasjonsmodiene i den korresponderende sensor 706 eller 714. I denne utforming, likesom ved utførelsen vist på figur 7, vil de optiske signaler i mottaker 726 som har forplantet seg gjennom lysbaner med korresponderende lengde interferere og frembringe et fasedifferansesignal som er indikativ for omgivelsestilstanden som påvirket forplantningen av optiske signaler gjennom sensoren 706 eller 714 som har en korresponderende lengde.

Mottaker 726 blir koplet via en annen polarisasjonskopler 728 til en enkelmodusfiber 730 som har en enkelt polarisasjonsmodus for transmisjon av lyssignaler. Den optiske fiber 730 er optisk koplet til en detektor 732 av en type som tidligere beskrevet med henvisning til andre utførelser, såsom detektorer 434 og 436 på figur 7. Et elektrisk utgangssignal blir sendt fra detektoren 732 på en elektrisk utgangsterminal 734 og det elektriske utgangssignalet tilveiebringer en representasjon av omgivelsestilstanden som påvirker flyten av optiske signaler gjennom den korresponderende sensor 706 eller 714.

Den optiske fiber 718 er i tillegg optisk koplet gjennom en konvensjonell retningskopler 736 til en annen mottakslegg generelt angitt med 741, som har en utforming som korresponderer med mottaksleggen 740 beskrevet ovenfor. Mer spesielt blir det optiske signalet i mottaksleggen 741 sendt fra kopler 736 til en enkeltmodus enkelpolarisasjonsoptisk fiber 742 fra hvilken det blir koplet via polarisasjonskopler 744 til en lengde av enkelmodus dobbeltbrytende fiber 746 som består av en optisk mottaker som har en lengde som korresponderer med lengden av en sensorene 706 eller 714. Mottaker 746 er optisk koplet gjennom polarisasjonskopler 748 til en annen enkelmodusfiber 750 som har en enkelt polarisajsonsmodus i seg. Fiberen 750 er optisk koplet til en detektor 752 som kopler elektriske signaler fra fiber 750 til en elektrisk utgangsport 754 som fører et elektrisk signal er representativt for faseforskjellssignalet til den korresponderende sensor 706 eller 714.

Det vil selvfølgelig likesom ved serieutformingen vist på figur 7 forstås at atskillige sensorer og deres tilhørende kopiere kan innbefattes i utførel-sen på figur 10 og på samme måte kan atskillige mottakslegger bli innbefattet for å motta og detektere omgivelsestilstander som påvirker faseforskjellsforholdet til optiske signaler som flyter gjennom sensorene. Lengden av det enkelte modus, enkelpolarisasjonsfibersegmenter såsom 710 mellom sensorene vil ikke påvirke nøyaktigheten til systemet siden alle de optiske signalene som sendes mellom sensorene løper langs en felles bane mellom sensorene. Således vil det ikke finne sted noen endring i faseforholdet til de optiske signalene i de ikke-avfølende segmentene til systemet.

Det vil gjenkalles at utformingen vist på figur 7 krever at den optiske banelengdeforskjellen til armene til sensor 404 må være forskjellig fra banelengdedifferansen til armene til sensor 406 med i det minste en koherenslengde til den optiske kilden. Ettersom tilleggssensorer blir innført i serieutformingen unngås interferens mellom de forskjellige optiske banene ved å kreve at de optiske banelengdedifferansene til sensorer i systemet skal være forskjellige fra hverandre med en mengde som øker eksponensialt og som er basert på multipler av kildekoherenslengden.

Systemet på figur 10 krever også en separasjon av optiske banelengdedifferanser mellom sensorer som er basert på kildekoherenslengden. Siden imidlertid forskjellen i optiske banelengder mellom ortogonale modi i dobbeltbrytende fiber er basert på differanse i fasehastighet til polarisasjonene, er banelengdedifferanse mellom disse polarisasjonsmodi som er nødvendig for å unngå interferens basert på lengden av fiber som denne relaterer seg til den optiske bølgelengden og støtlengden til det optiske signalet. Spesielt er forholdet mellom lengden (1) til den dobbeltbrytende fiber og den optiske banelengdedifferansen (a1) til de optiske banene innenfor denne fiber:

hvor X er bølgelengden til det optiske signalet; og

XDer støtlengden til det optiske signalet.

Fagkyndige vil forstå at forholdet mellom bølgelengde og støtlengde vanligvis er et gitt tall for en gitt fiber og at tallet generelt kan fås fra fabrikantene av fiberen.

På grunnlag av det ovenstående vil det ses at lengden til den første sensor 706 som er nødvendig for å unngå interferens er definert som: og således Lengden indikert ovenfor blir målet for separasjon av banelengdedifferanser mellom sensorer i systemet som er nødvendig for å hindre interferens mellom de forskjellige optiske banene.

En av de viktige fordeler ved utførelsen på figur 10 er at anvendelsen av optiske baner definert ved polarisasjonsmodi til dobbeltbrytende fiber tillater en større forskjell, enn ved utførelsen på figur 7, mellom de fysiske lengder til mottaker 726 og dens korresponderende sensor 706 eller 714 uten å svekke systemdriften. I tilfellet med serieutførelsen såsom på figur 7, må differansen mellom den optiske banedifferansen til sensorene og den optiske banedifferansen til mottakerne være mye mindre enn en koherenslengde til den optiske kilden. For en superluminescerende diode er denne kildekoherenslengde (Lc) vanligvis i størrelsesorden omtrent 50 pm. Således ville forskjellen i optisk banedifferanse mellom sensoren og mottakeren til serieutforminger som på figur 7 til 9 kreve å være av en lengde hvis differanse er mindre enn denne mengde. Ved anvendelse av den dobbeltbrytende fiberen blir imidlertid forholdet mellom bølgelengde og støtlengde håndterbart. Mange optiske fibre som kunne anvendes i utførelsen på figur 10 og som er generelt tilgjengelige på det kommersielle marked har en støtlengde i størrelsesorden 1-3 mm når de drives ved en bølgelengde i størrelsesorden 1 pm. Det dobbeltbrytende fiberforhold som representerer den tillatelige forskjell mellom sensor og mottakerlengde er:

hvor l\er lengden til den avfølende fiber; og

Li er lengden til den mottakende fiber.

Ved anvendelse av en fiber med et bølgelengde til støtlengdeforhold på 0,001, indikerer likningen ovenfor at differanse i optisk fiberlengde til sensoren sammenliknet med mottakeren bør være mindre enn 5 cm. Det vil forstås at en slik differanse i ledningslengde vil være relativt lett å få til ved fremstillingen av det fordelte sensorsystemet av typen illustrert på figur 10.

Etter valg kan den enkelte modus, enkelpolarisasjonsfiberen som anvendes på figur 10 bli erstattet med dobbeltbrytende fiber. For å kunne oppnå en enkelt polarisasjonsmodus innenfor den dobbeltbrytende fiberen, kan en polarisator være innbefattet på fiberen. Polarisatorer for å styre forplantningen av signaler med en valgt polarisasjon er vanlig kjent innen området. En utførelse av en polarisator som kan anvendes med den foreliggende oppfinnelse er vist av Bergh i US patent nr. 4.386.822 utstedt 7. juni 1983 og har tittel "Polarizer and Method." Dette patent er herved innlemmet som referanse. I tillegg vil hvor enkeltmodus, enkeltpolarisasjonsfiber blir erstattet med dobbeltbrytende fiber koplerne 704, 708 og 716 kople mellom begge polarisasjoner i den dobbeltbrytende fiber på den ene side av kopleren og begge polarisasjoner i den dobbeltbrytende fiber på den andre siden av kopleren. Dette kan utføres ved endespleising av fibrene med polarisasjonsaksene i en egnet vinkel som forklart ovenfor. Alternativt kan denne type kopling oppnås ved å anvende en enkelt kontinuerlig enkelmodusdobbeltbrytende fiber for å utgjøre alle sensorene og optisk tilkoplede fibere såsom 702, 706, 710, 714 og 718 og periodisk påføre transversalt trykk på disse steder på den dobbeltbrytende fiberen hvor kopling er ønsket. En innretning for å påføre denne transversale kraft er beskrevet i det etterfølgende med referanse til figur 26.

Når optisk fiber 718 består av dobbeltbrytende fiber, bør koplerne 720 og 736 fortrinnsvis være polarisasjonsbevarende retningskoplere som kopler optiske signaler fra de ortogonale polarisasjonsmodi i fiberen 718 til korresponderende ortogonale polarisasjonsmodi i den dobbeltbrytende fiber 722 og 742. En teknikk for å bevare polarisasjonen når kopling mellom fibrene, er å anvende en konvensjonell retningskopler såsom kopleren beskrevet med referanse til figur 2, og å innrette fibrene i denne slik at deres polarisasjonsretninger blir innrettet i felles plan. Således må f.eks. i kopleren 720 planet for vertikal polarisasjon av fiberen 718 være i planar innretning med det vertikale polarisasjonsplanet til fiberen 722. På samme måte må planene for horisontalt polarisasjon til disse fibre være i planar innretning. I denne utforming vil de optiske banene til like polarisasjoner bare kople med seg selv. En fremgangsmåte for å identifisere polarisasjonsaksene ble beskrevet foran og den kan anvendes her for riktig innretning av fibrene 718 og 722 i kopleren 720.

Dersom retningskoplerne såsom 720 og 736 blir utført for å bevare polarisasjon, er det ikke nødvendig med polarisatorer i de enkelmodus dobbeltbrytende fibrene 722 og 742.

Figur 12 illustrerer en annen foretrukket utførelse av en serieutforming av det fordelte sensorsystemet som anvender dobbeltbrytende enkel-modusfibre som sensorer og mottakere. Utførelsen på figur 12 korresponderer funksjonsmessig med utførelsen vist på figur 8. Videre korresponderer figur 12 fysisk med utførelsen vist på figur 10 når enkelmodus dobbeltbrytende fiber ble brukt ut gjennom systemet og når enkle polarisasjonsfibre mellom sensorene såsom fiber 710 er fjernet fra systemet.

Spesielt innbefatter utførelsen på figur 12 en lyskilde 100 som fortrinnsvis tilveiebringer et optisk signal som har en kort koherenslengde. Lyskilde 100 er optisk koplet via en optisk fiber 752 gjennom en kopler 754 til en sensor 756 som består av dobbeltbrytende fiber. Kopler 754 kan bestå av en polarisasjonskopler av typen beskrevet med henvisning til figur 10. Sensor 756 er optisk koplet ved sin ende gjennom kopler 758 til en annen sensor 760 som består av dobbeltbrytende fiber. Igjen kan kopler 758 være en polarisasjonskopler lik kopleren 754. Sensor 760 er koplet gjennom en annen polarisasjonskopler 762 til en lengde av dobbeltbrytende fiber 764 som sender signalene fra sensorene til en mottaksseksjon i innretningen.

Fiber 764 er optisk koplet til hver mottaksarmene som generelt er angitt ved 766 og 768 gjennom polarisasjonsbevarende retningskoplere 770 og 772. Kopiere 770 og 772 korresponderer med polarisasjonsbevarende kopiere 720 og 736 beskrevet ovenfor med referanse til figur 10. Kopiere 770 og 772 kopler optisk signalet fra fiber 764 til mottakerarmer generelt benevnt med 766 og 768 respektivt. Det dobbeltbrytende fiberarrangement til mottaksarmene 766 og 768 korresponderer med arrangementet for armene som beskrevet i utførelsen på figur 10 når dobbeltbrytende fiber ble brukt i forskjellige komponenter til disse mottaksarmer. Sålede er komponentene til armer 766 og 768 nummerert slik at de korresponderer med de relaterte armene i utførelsen på figur 10.

Det vil selvfølgelig forstås at ethvert ønsket antall sensorarmer kan tilføres i serie ved å forbinde dem på måten som er illustrert mellom sensorer 756 og 760. På samme måte kan tilleggsmottaksarmer tilføres for å motta og detektere endringer i faseforskjell som finner sted i disse tilleggssensorer.

Det er å merke seg at utførelsen som er vist på figur 12 har en fordel i forhold til utførelsen på figur 10 når det gjelder sendbar effekt, siden det ikke er noe effekttap mellom sensorer på grunn av kopling til en forbindelsesfiber, såsom fiber 710 på figur 10. På den annen side begren-ser posisjoneringen av sensorer som ligger inntil hverandre som på utførelsen i figur 12 muligheten for å avføle omgivelseseffekter i forskjellige fysiske områder hvilket kan utføres med utførelsen på figur 10. Det vil forstås at utførelsen på figur 12 kan justeres slik at sensorene kan lokaliseres i en avstand fra hverndre dersom det er ønskelig. Spesielt kan hver andre lengde av dobbelbrytende fiber opptre ganske enkelt som en forbindelse mellom to sensorer ved å tilveiebringe ingen mottaksarmer som er tilpasset for å detektere signalene i disse forbindelsesfibre.

Utførelsen på figur 12 kan konstrueres ved anvendelse av en enkelt lengde av dobbeltbrytende fiber som omfatter sensorene 756 og 760 og den ikke-avfølende forbindelsesdelen 764 av systemet. På samme måte kan hver mottaksarm 766 og 768 omfatte en separat lengde av dobbeltbrytende fiber. I denne utforming kan hver av koplerne mellom de dobbeltbrytende fibersegmentene bestå av en kopler som periodisk påfører transversalt trykk for å kople de optiske signalene mellom de ortogonale polarisasjonsmodi til de dobbeltbrytende fibrene. En slik innretning er vist på figur 26 og er beskrevet detaljert i det etterfølgende. Anvendelsen av kontinuerlige tråder av dobbeltbrytende fiber forenkler fremstillingen av innretningen siden endekopling og den nødvendige fiberinn-retningsprosessen for å utføre endekoplingen ikke er nødvendig.

Figur 13 illustrerer en annen utførelse av oppfinnelsen som anvender dobbeltbrytende fibersensorer og som funksjonelt korresponderer med utførelsen vist på figur 9. Utførelsen på figur 13 innbefatter en lyskilde 100 som fortrinnsvis har en kort koherenslengde. Dioden 100 er optisk koplet til en enkeltmodus enkelpolarisasjonsfiber 802. Fiber 802 er optisk koplet gjennom retningskoplere 804 og 806 til første ender av dobbeltbrytende fiber som består av sensorer 808 og 810, respektivt. Sensorer 808 og 810 er optisk koplet ved sine andre ender gjennom retningskoplere 812 og 814 til en enkelt modus enkelpolarisasjonsfiber 816.

Når signalet blir koplet i kopiere 804 og 806, blir signalene overført fra den enkle polarisasjonsmodus i fiber 802 til begge polarisasjonsmodi i fibre 808 og 810. Dette blir utført ved på riktig måte å orientere kjernene til de dobbelbrytende fibrene 808 og 810 i en retningskopler slik som vist på figur 2. Mest generelt er kjernen orientert slik at retningen til hver av polarisasjonsmodiene i de dobbeltbrytende fibre 808 og 810 ligger i en vinkel på omtrent 45°i forhold til vinkelen til den enkle polarisasjonsmodus i fiberen 802. På samme måte er når signalene blir koplet i kopiere 812 og 814, fibrene 808 og 810 generelt orientert i kopleren i forhold til fiberen 816 slik at polarisasjonsretningene i de dobbeltbrytende fibre 808 og 810 er omtrent 45°i forhold til den enkle polarisasjonsmodus til fiberen 816. På denne måte blir begge polarisasjonsmodi i den dobbeltbrytende fiber kombinert for å forplante seg i den enkle polarisasjonsmodus til den enkle polarisasjonsfiber og omvendt.

Fiber 816 er optisk koplet i retningskoplere 818 og 820 til dobbeltbrytende fibre 822 og 824 som respektivt, består av en del av mottaksarmer 826 og 828. Kopiere 818 og 820 korresponderer i type med kopiere 804 og 806 og fibrene 816, 822 og 824 er posisjonert i kopiere 818 og 820 på samme måte som beskrevet med hensyn til fibrene 802, 808 og 810 ovenfor. Fra sensorene 822 og 824 blir de optiske signalene sendt gjennom polarisasjonskoplere 830 Og 832, respektivt, til enkelmodus enkeltpolarisasjonsfibre 834 og 836. Kopiere 830 og 832 korresponderer med polarisasjonskoplere 728 og 748 på figur 10. Fibre 834 og 836 er koplet respektivt til detektorer 838 og 840 som sender signaler som reprsenterer omgivelsestilstander som påvirker sensorer 808 og 810, respektivt, på elektriske utgangsterminaler 842 og 844.

Etter valg kan enhver av fibrene 802, 816, 834 og 836 bestå av enkelmodus dobbeltbrytende fibre. Under disse omstendigheter vil det være nødvendig med polarisatorer i fibrene 802 og 816 slik at bare en enkelt optisk bane er tilveiebrakt mellom sensorene i fibrene 802 og mellom sensorene og mottakerne i fibrene 816 og derved forhindres omgivelsespåvirkning på faseforholdet til optiske signaler i disse ikke avfølende områder.

Det er å merke seg at mottakerarmene 740 og 741 på figur 10 i hovedsak er ekvivalente med og helt utvekselbare med mottakerarmene 826 og 828 på figur 13. På samme måte kan hver av retningskoplerne 804, 806, 812 og 814 bli erstattet av en kombinasjon av en polarisasjonsopprett-holdende kopler såsom 720 på figur 10 og en polarisasjonskopler såsom 724 på samme figur. I systemet på figur 12 kan også den kombinerte drift av retningskoplere 770, fiber 722 og polarisasjonskopler 724 (eller 772, 742 og 744) bli utført av en enkelt innretning som kopler optisk effekt fra begge polarisasjoner til fiber 764 til begge polarisasjoner til fiber 726 (eller 746). En slik kopler for å kople mellom de to polarisasjoner til to dobbeltbrytende fibre kan konstrueres ved å anvende utformingen skissert på figur 2, hvor polarisasjonaksene til de to fibrene ikke er innrettet parallelt med hverandre. De virkelige koplingskoeffisienter til en slik kopler avhenger av et antall parametre såsom vinkelen mellom polarisasjonsaksene, fiberdobbeltbrytningen, avstanden mellom fibrene og koplingslengdene.

En forskjell mellom disse systemer er at for å kunne unngå interferens i optiske signaler som forplanter seg gjennom de forskjellige sensorer på figur 10 og 12, må den optiske banelengdedifferanse til hver sensor i systemene på figur 10 og 12 addert til systemet være forskjellig fra lengden til alle tidligere sensorer med et multippel av kildekoherenslengden som øker eksponensialt med hver tilføyd sensor. I motsetning til dette må den optiske banelengdedifferanse til hver ny sensor i utførelsen på figur 13 være forskjellig fra lengdedifferansen til alle tidligere sensorer med et multippel av kildekoherenslengden som øker lineært med hver tilføyd sensor.

Differensialdetektering av utgangssignalene kan være tilveiebrakt i et hvilket som helst av systemene vist på figurene 10, 12 og 13 ved å erstatte utgangsfibrene 730, 750 (figur 10 og 12) og 834 og 836 (figur 13) ved dobbeltbrytende fibre, fulgt av en polariserende strålesplitter (ikke vist) av velkjent type, og to optiske detektorer (ikke vist). Hver detektor er optisk koplet til en av strålene fra den polariserte strålesplitteren. De elektroniske signalene fra de to detektorene kan så bli subtrahert i en differensialforsterker (ikke vist) for å identifisere faseforskjellen mellom de optiske signalene som blir sendt gjennom den korresponderende sensoren.

Systemene beskrevet på figurene 10, 12 og 13 er basert på interferens mellom de to ortogonalt polariserte modi i en høydobbeltb ryt ende fiber. Analoge oppsett kan utformes basert på interferens mellom to rommelige atskilte ortogonale modi i en to-modusfiber.

Fiberoptisk modusteori ble beskrevet tidligere med henvisning til figur 11. Med referanse til figur 11, vil det gjenkalles at en to-modusfiber i virkeligheten forplanter seks modi, som illustrert. Fagkyndige vil forstå at i en fiber med sylindrisk symmetri, er grunnmodussettet dobbelt motkoplet. Med andre ord vil optiske signaler som forplanter seg i de to ortogonale polarisasjoner til grunnmodusen forplante seg med identisk fasehastighet. På samme måte står det andre ordensmodussett av to par av motkoplere ortogonale polarisasjonsmodi slik at parene nesten utsletter hverandre. Det er vel kjent at denne motkopling mellom polarisasjoner kan heves ved påkjenningsindusert anisotropi, eller alternativt ved å anvende en elliptisk kjerne i to-modusfiberen. Innføring av en elliptisk kjerne vil også heve nær-motkoplingen av de andre ordensmodi.

Når motkoplingen blir hevet ved egnet utforming av fiberen, kan lys forplante seg i enhver av modiene i modussettet uten å bli merkbart koplet til de andre modi i det samme modussett eller til en hvilken som helst modus i det andre modussettet.

For forklaringsformål vil det bli antatt at to-modusfibrene er utformet som beskrevet ovenfor slik at de er modusopprettholdende når motkop-lingene er fjernet. Således er det antatt at bare en modus i grunnmodussettet og en modus i det andre ordens modussett er tilveiebrakt for forplantning av optiske signaler. Under disse vilkår står figurene 10, 12 og 13 av illustrasjoner av fordelte interferometriske sensorer hvis drift er basert på interferens mellom grunn- og andre ordens modus i en to-modusfiber.

Under henvisning til figur 10 fungerer systemet som tidligere beskrevet for den dobbeltbrytende fiberutførelsen unntatt ved at de optiske fibrene illustrert med tykke streker 702, 706, 714, 726 og 746 består av to-modusfibre, og fibrene vist med tynne streker består av enkeltmodusfibre. Koplerne som er representert med sirkler, såsom 704, 708, 712 og 716 fungerer til å kople optiske signaler mellom grunnmodusen til enkeltmodusfiberen, og både grunn og andre ordensmodiene til to-modusfiberen. Dette koplingsarrangement er utført ved endespleising av de optiske fibrene på måten illustrert på figur 14.

Mere spesielt illustrerer figur 14 en enkelmodus optisk fiber 850 som har en grunnmodus som er vertikalt polarisert. Fiber 850 er endekoplet til en to-modus optisk fiber 852 som har en grunnmodus som har en vertikal polarisasjon, og en andre ordens modus som består av en vertikal perpendikulære orientering, som beskrevet med henvisning til figur 11. Ved endekopling av fiberen 850 med fiberen 852 slik at senteraksene til fibrene er forskjøvet, er det mulig å kople de vertikalt polariserte signalene fra fiber 850 til både den vertikalt polariserte grunnmodusen og den vertikalt perpendikulære andre ordens modus til fiberen 852. Selv-følgelig er det også mulig å få til kopling fra to-modusfiberen 852 til enkeltmodusfiberen 850 ved å anvende dette koplingsarrangement. I denne utførelse består kopiere 720 og 736 av konvensjonelle retningskoplere som overfører de optiske signalene fra fiber 718 til fibre 722 og 742.

I drift omfatter to-modusutførelsen på figur 10 et optisk signal som blir sendt fra lyskilde 100 gjennom en enkelmodusfiber 702 til en kopler 704 hvor signalet fra fiber 702 blir koplet slik at det forplanter seg i både grunn- og andre ordensmodus til den to-modus fiberoptiske sensoren 706. Disse signaler blir så sendt gjennom kopler 708 hvor signalene blir kombinert slik at de forplanter seg i en enkelt polarisasjonsmodus til enkelmodusfiberen 710. I kopler 712 blir signalet fra fiber 710 igjen koplet slik at det forplanter i både grunn- og andre ordens modus til to-modusoptisk fibersensor 714, og i kopler 716 blir signalene igjen kombinert slik at de forplanter seg i en enkel polarisasjon gjennom enkelmodusfiber 718. I kopler 720 blir en del av signalet fra fiberen 718 sendt til optisk fiber 722 fra hvilken det passerer gjennom kopler 724 for å bli koplet inn i grunn- og andre ordensmodus til to-modusfiber-optiske mottaker 726. Som det er blitt forklart tidligere, korresponderer modiene i fiber 726 i optisk banelengdeforskjell til enten sensor 706 eller fiber 714. Således vil signaler som har passert gjennom de optiske banene til den korresponderende sensor interferere i mottaker 726 for å frembringe et differansesignalet som er representativt for omgivelsestilstander som påvirker den korresponderende sensor. Differansesignalet blir sendt gjennom kopler 720 inn i den enkle polarisasjonsmodus til en enkelmodusfiber 730. Dette differansesignal blir så detektert i detektor 732 og sendt som et amplitudesignal via elektrisk terminal 734 til annet overvåkningsutstyr.

På samme måte fungerer mottaksleggen 741 på figur 10 til å motta signaler som har forplantet seg gjennom sensorene 706 eller 714 som har en optisk banelengdeforskjell som korresponderer til banelengdeforskjellen for mottaker 746. Interferens blir så erfart mellom signalene i mottaker 746 og produserer et differansesignal som representerer omgivelsestilstanden som forårsaker endringer i fasen til de optiske signaler som forplanter seg gjennom de separate modi i den korresponderende sensor 706 eller 714.

Etter ønske kan enkelmodus ikke-avfølende fibre som representeres med tynne streker på figur 10 også bli erstattet av to-modus fibre. I denne utforming blir et modusfilter eller en stripper brukt for å fjerne den andre ordens modus. Fremgangsmåter for å fjerne den andre ordens modus er velkjente og innbefatter slike ting som vikling av to-modusfiberen på en trommel. Den velkjente type modusstripper er forklart i en artikkel av Y. Katsuyama, med tittel "Single Mode Propagation in a Two Mode Region of Optical Fiber by Using Mode Filter", Electronics Letters, 15, 442, (1979). Denne artikkel er innlemmet som referanse. Annen velkjent modusstrippingteknikk består i å oppvarme to-modusfiberen og så strekke fiberen for å redusere diameteren.

I utformingen som anvender to-modusfiberen gjennom det hele fungerer koplerne indikert som sirkler på figur 10 til å kople mellom både grunn-og andre ordens modus til to-modusfiberen på en side av kopleren og begge modi i fiberen på den andre siden av kopleren. Med den modusstripper forbundet til de ikke-avfølende to-modus fibre blir således den andre ordens modus strippet hvilket fører til at optiske signaler forplanter seg bare i en av grunnmodiene til de valgte to-modus fibre.

En optisk kopler som fungerer til å kople på måten beskrevet ovenfor kan være tildannet ved endespleising av de optiske fibrene med deres akser forskjøvet, som ble forklart tidligere med referanse til figur 14. Alternativt kan kopling tilveiebringes ved å bøye den optiske fiberen på de ønskede koplingssteder. Ved å bøye fiberen forårsakes at optiske signaler blir koplet mellom modiene i den optiske fiberen. En utførelse av en innretning for å påføre disse bøyninger ved egnede steder i fiberen er vist og beskrevet i H.F. Taylor, "Bending Effects in Optical Fibers", Journal of Lightwave Technology, LT-2, 5, 617-628 (oktober 1984). Denne artikkel er herved innlemmet som referanse.

Siden to-modusfiber ble brukt for fiberen 718, likesom for fibrene 722 og 742, må retningskoplerne 720 og 736 fungere slik at de bevarer modiene som blir koplet mellom fibrene. Med andre ord må disse kopiere bare kople fra grunnmodusen i en fiber til grunnmodusen i den andre fiberen, og fra den andre ordens modus i en fiber til den andre ordens modus i den andre fiberen. Det er velkjent at koplingen mellom to modi i fibre som er anordnet nær hverandre er sterk bare dersom modiene har den samme fasehastigheten. Siden de to fibrene forutsetningsvis har identisk utforming, har grunnmodiene i de to fibrene den samme fasehastigheten og de kopler derfor sterkt til hverandre. På samme måte har andre ordens modi den samme fasehastigheten og disse blir også sterkt koplet til hverandre.

Utførelsen av den fordelte sensoren vist på figur 12 kan også konstrueres av to-modusfiber. I denne utforming kan de optiske fibrene bestå av en enkelt to-modusfiber for sensordelen og individuelle to-modus fibre for hver av mottaksarmene 766 og 768. Koplerne som er illustrert som sirkler korresponderer med modusblandekoplere beskrevet tidligere og kan være tilveiebrakt ved å bøye fibrene for å frembringe kopling av de optiske signalene mellom modiene i fibrene. Retningskoplerne 770 og 772 består av modusbevarende kopiere av typen beskrevet ovenfor, hvor konvensjonelle kopiere blir brukt i samvirke med fibre hvis fasehastig-heter er tilpasset slik at signaler blir sendt bare mellom korresponderende identiske modi.

Utførelsen på figur 13 kan også være konstruert med sensorene 808 og 810 og mottakerne 822 og 824 bestående av to-modusfiber. I den utforming består retningskoplerne illustrert med rektangler, såsom koplerne 804 og 806 av kopiere hvis funksjon er å kople mellom grunnmodusen til en enkelt modusfiber og både grunn- og andre ordens modus til en to-modusfiber. Siden koplingen mellom modiene er fibre som posisjonert nær hverandre avhenger både av fasehastighetsdifferansen mellom modiene og graden av overlapping av modusfeltene, kan disse parametre blir justert for å tilveiebringe den ønskede kopling til både grunn- og andre ordens modus til to-modusfiberen. Koplerne 830 og 832 består av polarisasjonskoplere som kopler mellom grunnmodusen til en enkelmodusfiber og både grunn- og andre ordens modus til en to-modusfiber som beskrevet i forbindelse med to-modusfiberutførelsen på figur 10.

I utformingen på figur 13 vil anvendelsen av to-modusfiber ved utformingen av fiber 802 og 816 unødvendig komplisere systemet, siden det ville tilveiebringes en mulighet for signalene som forplanter seg i de to separate modi til å bli påvirket forskjellig av eksterne krefter i områder som ikke er tiltenkt å fungere som sensorer. Følgelig kan det ikke antas at fasedifferansesignalene identifisert i mottaksarmene 826 og 828 er blitt frembrakt bare i en spesifisert sensor. Som ved enkelmodus dobbeltbrytende fiberutførelsene, er to-modusutførelsene av mottaksarmene 826 og 828 ekvivalente og fulgt utvekslebare med to-modusutførelsen av mottaksarmer 740 og 741 på figur 10.

Det skal nå foretas noen utformingsbetraktninger.

1. Støypåvirkning

Ytelsen til koherensmultipleksede systemer vil generelt være begrenset av flere typer støy. I tillegg til plutselig støy og elektronisk forsterknings-støy som er tilstede i ethvert optisk avfølingssystem, kan systemene beskrevet her være utsatt for støy som er resultatet av interferens mellom lyskomponenter tilknyttet baner som ikke er beregnet å interferere. Det er to måter dette kan opptre på. For det første, dersom differansen i optisk forsinkelse mellom de to baner ikke er tilstrekkelig stor, så vil lyset fra de to banene ikke være fullstendig inkoherent og det vil være "krysstale" i den detekterte effekt. Med andre ord, så vil den detekterte effekten avhenge svakt av de relative faseforsinkelser av nominelt ikke-interfererende baner.

For det andre, selv om lyset tilknyttet til de to banene er tilsynelatende inkoherent, så kan momentane interferenseffekter være tilstede. Selv om slike interferenseffekter utjevner seg i gjennomsnittet, så vil deteksjons-systemer med en ikke-null båndbredde ikke fullstendig jevne ut de resulterende intensitetsvariasjoner. Den nøyaktige natur av .denne "inkoherensstøy" vil avhenge av naturen til lyskilden. F.eks., i et system som anvender en enkelmoduslaserdiode som en kilde, så vil inkoherens-støyen være tilknyttet fasestøyen som er tilstede i laserutgangssignalet. For mer generelle kilder kan det også bidras med modusavvikstøy eller kildeintensitetsstøy.

Noen av krysstalen og inkoherensstøyen kan elimineres fra systemet ved å anvende polarisasjonsinnretninger for å forhindre baner fra å interferere; men disse foranstaltninger vil imidlertid bare være delvis effektive i systemer med mer enn to baner som ikke er tiltenkt å interferere med hverandre. En bestemt type polarisasjonsstyreinnretning som kan anvendes i systemene i henhold til foreliggende oppfinnelse for å styre krysstale er beskrevet i det etterfølgende.

2. Bestemmelse av sensorens optiske banelengder

En viktig faktor ved et koherens multiplekset sensornettverk er behovet for å sikre at bare de banene en ønsker skal ha interferens er nært tilpasset i lengde. Dette er relativt enkelt å få til i parallellutformingen hvor hver suksessive sensorbanelengde bør være lenger enn den forut-gående lengden med en mengde Lq, hvor Lq>>Lcog valgt slik at den er stor nok til å redusere krysstale for å møte systemkravene.

Situasjonen er noe mer komplisert i serieutformingen. F.eks., la m^Lø, nv^Lrj, n^Lø, ..., hvor m^er et helt tall, være differensialbaneforsinkelser til de avfølende Mach-Zehnder-interferometre. Forsinkelsene behøver ikke å være nummerert i noen bestemt orden. Da må m^+i tilfredsstille m^+i ulik C^og 2mjc+i ulik A^, hvor

En måte å sørge for sekvenser av tillatelige forsinkelser er å starte med en bestemt mj, og så velge hvert etterfølgende serieelement slik at det er det neste minste tall som tilfredsstiller begrensningene ovenfor. For mj_ = 1, vil den resulterende sekvens 1, 3, 8, 21, 55 ..., tilfredsstille forholdet m^+j = 1 + m^+ j^imj. Ved å anvende z-transformasjoner kan man vise at denne likning har en eksplisitt løsning

Denne rekke fortsetter uendelig slik at for et system med ethvert antall sensorer N, kan man alltid velge et undersett av sekvensen for å spesifisere forsinkelsene. Generelt kan man også anvende et sett av forsinkelser hvis utforming avhenger av N. Spesielt kan man velge m^ifølge

forutsatt at N er > 4 og eller alternativt hvor: N er 2 1; og

F.eks., 4N = 5 og de minste sett av disse former er gitt ved [27, 28, 30, 34 , 42] og [22, 30, 34, 36, 37] respektivt. Merk at den siste av disse tre klassene av forsinkelse som er angitt ovenfor innehar den sakteste vekst av maksimal forsinkelse med økende N. Det er ikke kjent hvorvidt mer kompakte sett med forsinkelser er mulige.

Basert på det ovenfor angitte forhold, vil de bestemte differensialbane-lengder som blir valgt være basert på de tiltenkte anvendelser av systemet.

Som det ble forklart tidligere, er i det minste for langavstandsanven-delser serieutformingen av spesiell interesse siden denne er trådufølsom, og derfor kan sensorene bli plassert på fjerne steder uten at det er behov for omgivelsesskjerming av tråder eller andre deler av avfølings-systemet.

3. Utvelging av koplingskoeffisienter

Et annet relevant moment for utformingen av et koherens multiplekset fordelt sensorsystem er det riktige valg av koplingskoeffisienter for de forskjellige retningskoplere som anvendes i systemet. Som brukt her, er uttrykket "koplingskoeffisient" definert som effektforholdet mellom den koplede effekten og den totale utgangseffekten. Med henvisning til figur 2 vil f.eks. dersom lys blir påtrykt port A, koplingskoeffisienten være lik forholdet mellom effekten på port D og summen av effekt på portene B og D.

Bestemmelsen av koplingskoeffisienten kan være basert delvis på det intuitive krav at alle sensorer som blir utsatt for like omgivelsesmodula-sjonsamplituder burde returnere signaler med sammenliknbar styrke til det sentrale behandlingsstedet. For serieutformingen betyr dette at alle avfølende interferometre bør være bygd av identiske kopiere forutsatt at alle interferometre har sammenliknbare omgivelsesfølsomheter. Rekke-følgen som sensorene opptrer i kjeden har ikke noen virkning på naturen til feltet som når mottakerne; og således vil sensorer bygd opp av identiske kopiere gi signaler med lik styrke. Det er å merke seg at koplerne ved de to endene av hvert avfølingsinterferometer også bør være identiske.

Løsningen er mindre triviell i tilfellet med parallellsystemet. Anta at det er N sensorer i et parallellsystem såsom det som er vist på figur 1. Nummerer sensorene med en indeks j som løper fra 1 til N, og starter med j = 1 for sensoren nærmest lyskilden 100 og til mottakerne 120. La effektkoplingskoeffisienten for koplerne 108 og 112 tilknyttet sensor j bli kj, slik at en fraksjonsdel kj av den totale effekten blir overført mellom de to fibrene i kopleren, og en mengde effekt 1—kj passerer rett gjennom kopleren uten å bli koplet. Det er å merke seg at koplerne ved endene av en gitt optisk fibersensor bør være identiske.

Det antas for enkelthetens skyld at lys må kople på tvers av fibrene i koplerne 108 for å kunne komme fra inngangsbussen 102 til en avfølings-fiber 110 og tilbake til returbussen 114, selv om situasjonen likeså gjerne kunne vært omvendt. Lys som returnerer fra sensor j vil ha vært utsatt for tap i kopiere 1 til j på både inngangsbussen 102 og returbussen 114. Kopiere 1 til j-1 vil ha en transmisjon 1-kq for både inngangs- og returkoplerne 108 og 112, respektivt, og de to koplerne ved sensor j vil ha en transmisjon kj. Således vil effekten som returnerer fra sensor j til mottakerne 120 være gitt ved

hvor Pjner effekten som blir sendt til sensorrekken. Ved å sette Pj+1, retur = Pj, retur finnes at koplingskoeffisientene er relatert med kj+i = kj/(l-<k>j), eller ekvivalent, Den siste sensoren trenger i virkeligheten ikke kopiere siden det ikke er behov for de siste sensorer; og en kan således sette kn= 1. Sammen med nettopp utledede forhold, betyr dette at koplingskoeffisienten- for koplerne til sensor j er nettopp

Dette betyr i sin tur at den totale transmisjon Pj,retur/P^ er den samme for hver sensor som forventet, og er lik en 1/N^.

En av faktorene til l/N opptrer siden inngangseffekten må deles opp mellom N sensorer. Den andre faktoren til l/N er et resultat av det uunngåelige tap som finner sted når signaler fra to fibre (den avfølende optiske fiber 110 og returbussen 114) blir kombinert av en passiv lineær kopler 112 for å danne et enkelmodussignal (dvs. signalet på returbussen). Merk at koplingskonstanter som ikke blir bestemt av kravene til like sensorfølsomheter kan bli valgt for å maksimalisere signal til støyytelsen til hver sensor.

4. Matematisk teori for systemet

Etter at strukturen til et koherensmultiplekset system når er spesifisert, skal så oppmerksomheten rettes mot signalet som blir frembrakt i en slik konfigurasjon. Figur 15 illustrerer en forenklet versjon av et seriesystem lik systemet vist på figur 7, med unntak for at det bare er en sensor 404 og en mottaker 418. Selv om dette ikke er et virkelig multiplekset system, tjener det til å illustrere visse egenskaper med det koherensmultipleksede systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

La det optiske feltet som er tilstede på inngangen til fiber 402 fra lyskilden 100 være gitt ved v/^P0(t)e^t hvor PO er den optiske effekten og u(t)e<int>er det stokastiske analytiske signalet som beskriver feltet normalisert slik at den midlere kvadratverdien < | u(t) 1<2>> er enheten. Dersom det antas at systemet er tapsløst, og alle koplerne 407, 408, 422 og 424 er innstilt på 50% koplingskoeffisient og alle optiske baner gjennom systemet resulterer i den samme sluttpolarisasjon av det optiske signalet, så den optiske effekten P(t) som faller på detektoren 434 gitt ved

hvor:

Tg er den minimale forsinkelse gjennom systemet;

T er differensialforsinkelsen i hver sensor 404 og mottaker 418; og

0S°g 0r de differensiale faseforsinkelser i sensoren 404 og mottaker 418.

Ved å ta den forventede verdien av dette uttrykket og anvende den normaliserte selvkoherensfunksjonen ^u(T) = <u(* +1f)u(t)'>>kan den forventede detekterte effekten bli skrevet som ; ; Det kan vises at selvkoherensfunksjonen Tu(t) er Fourier-transforma-sjonen til den enkeltsidede optiske effektspektraltettheten riktig normalisert og skiftet til opprinnelsen. Følgelig, dersom lyset frembrakt av kilden 100 var en Lorentziansk linjeform med en full bredde ved halve maksimum (FWHM) gitt med ("Tc)-<*>, vil selvkoherensfunksjonen være ^uCt) = e~|t|/"rc. Dette medfører at dersom sensoren og mottaker- mistilpasningen T er valgt slik at den er mye større enn koherenslengden tc, så blir TU(T) og fa(2T) neglisjerbar liten, slik at

Således er den mottatte effekten gitt av et middelnivå som er lik en fjerdedel av inngangseffekten sammen med en modulasjonsavhengig på signalfasen øs - (J)r. Modulasjonsdypden er bare 50% siden bare to av de fire banene fra kilden til detektoren interfererer. De andre to banene adderer seg bare til den midlere mottatte effekt. Spesielt interfererer det optiske signalet som gjennomløper banen definert av armer 410 og 426 med signalet som gjennomløper banen som innbefatter armer 409 og 428. Motsatt interfererer ikke signalene som gjennomløper banen som innbefatter armer 409 og 426 så vel som banen som innbefatter armer 410 og 428.

Ved å ta den forventede verdien av <P(t)> for å frem det detekterte signalet, har inkoherensstøyen P(t) - <P(t)> som i praksis vil være tilstede bli jevnet ut. Dersom en antar at lyset på utgangen fra lyskilden har en tilfeldig fase som kan modelleres som en Wiener-Levy stokastisk prosess, sammen med neglisjerbar intensitetsstøy, så kan man vise at den to-sidede effektspektraltettheten til inkoherensstøyen er gitt ved

hvor signalfasen øs - ør må utjevnes siden den nå blir behandlet som en stokastisk enhet. Således er spektrumet til inkoherensstøyenkarakterisertved en Lorentziansk omhylling med en bredde som er lik to ganger kildelinjebredden og en høyde som avhenger av signalfasen. Innenfor omhyllingen er det cosinusmodulasjon med topper ved null frekvens og som har en periode l/T. For sammenlikning vil dersom en skulle sende inn en effekt Pq/4 inn i et enkelt sterkt mistilpasset Mach-Zehnder interferometer, inkoherensstøyeffektens spektraltetthet være gitt ved

Denne normalisering er hensiktsmessig siden at den også tillater at dette uttrykket kan tolkes slik at det gir inkoherensstøyens effektspektraltett-het som resulteter når polarisasjonene i det enkelte sensorseriesystemet blir justert for å tillate at bare to par av baner kan interferere inkoherent. Sammenlikning av de to uttrykkene for G]^(t) avdekker det modulerte signalet avhengige del av spektret i det dobble Mach-Zehnder-tilfellet resulterer av interferens mellom de signalbærende banene og de andre to banene, mens den umodulerte delen av spektret er resultatet av interferens mellom de to banene som ikke bidrar til signalet.

5. Begrensningen i systemets følsomhet på grunn av inkoherensstøy

Siden inkoherensstøy er den dominerende type av støy i koherensmulti-pleksende systemer med et relativt lite antall sensorer, tillater kjennskap til inkoherensstøyspektret en å forutsi fasefølsomheten for et sensor/mot-takerpar. Før dette imidlertid kan gjøres, må man spesifisere systemet ytterligere siden generelt vil både den lille fasesignalsensitiviteten og støynivået avhenge av fasen til systemet hvilken undergår konstant endring på grunn av lavfrekvent omgivelsesstøy. Denne signalfading er et vesentlig problem for alle Mach-Zehnder-type sensorer og koherensmultipleksede sensorer er utsatt for dette likesom andre fasesensorer. En løsning på dette problemet er å heterodynbehandle signalet ved å innføre en frekvensskifter i en arm av mottakeren på måten som beskrevet tidligere under henvisning til utførelsen på figur 1. I dette tilfellet tar fasen (J)s- Ør formen

hvor:

0e er en sakte endrende omgivelsesfaseforspenning;

fh er heterodynfrekvensen; og

AØasin 2nfat er det akustiske signalet detektert av sensoren. Dersom er liten, så vil heterodynsignalet ha et effektspekter gitt ved hvor S(.) representerer Dirac-delta-funksjonen. Sammenlikning med støy-effektspektraltettheten G]\j(f) og under hensyn til at <cos(øs- ør)> = 0 og fa, f^<< l/T, ser vi at

hvor:

(<A>$a)s/N=ler lik størrelsen på AØahvor signal- og støynivåene er like; og B er båndbredden til deteksjonselektronikken.

Pseudo- heterodynteknikken for å forhindre signalfading

Mens konvensjonell heterodynteknikk tilveiebringer en måte for å unngå signalfading og for å skille mellom signaler i det ønskede frekvensområdet og lavere frekvensomgivelseseffekter, har denne måte ulempen at den krever anvendelse av frekvensskiftere som ofte består av masseoptiske innretninger. Slike innretninger kan være klumpete, øker systemtap, minsker effektivitet og kan være kostbare. Dette er ikke et stort problem for parallellsystemet, slik det er illustrert på figur 1, siden bare en enkelt frekvensskifter plassert ved begynnelsen av den avtappede forsinkelseslinjen 106 vil være nødvendig for å heterodynbehandle alle signalene. For imidlertid å kunne heterodynbehandle alle signalene i seriesystemet på figur 7, vil det være nødvendig med en frekvensskifter i en arm av hver mottaker. Dette kan bli svært kostbart i tillegg til problemene med økt systemstørrelse og ineffektivitet.

En enklere og mindre kostbar metode for å unngå signalfading er en pseudo-heterodynteknikk som ikke krever noen masseoptiske innretninger i den optiske banen til sensorsystemet. Teknikken er definert i forbindelse med dens anvendelse i et fiberoptisk gyroskop i B.Y. Kim og H.J. Shaw, "Phase-Reading All-Fiber-Optic Gyroscope", Optical Letters, vol. 9, side 378 (1984). Teknikken er også vist i forbindelse med dens anvendelse ved et fiberoptisk gyroskop i den parallelle US patentsøknad med serienummer 603.630 med tittel "Phase Reading Fiber-Optic Rotation Sensor", inngitt 25. april 1984, og som tilhører eieren av foreliggende patentsøknad. Både den nevnte artikkel og patentsøknad er herved innlemmet som referanse.

Anvendelsen av teknikken til den fordelte sensor i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan bli beskrevet med referanse til figur 16. Avfølingssystemet på figur 16 består av et forenklet seriesystem som korresponderer med systemet på figur 15 som er vist for forklaringsformål. Det vil forstås at tilleggssensorer og mottakere kan innbefattes i systemet for å definere utforminger slik som disse som er vist på figurene 7, 8 og 9. På grunn av likheten med systemet på figur 15, er de korresponderende elementene i systemet på figur 16 nummerert i samsvar med nummereringen på figur 15 unntatt hvor spesielle elementer er forskjellige.

Spesielt innbefatter systemet på figur 16 en polarisasjonsstyreinnretning 551 i arm 410 til sensor 404. Styreinnretningen 551 fungerer slik at den opprettholder det riktige polarisasjonsforhold til de optiske signalene som passerer gjennom styreinnretningen. En foretrukket utførelse av en polarisasjonsstyreinnretning for anvendelse i den foreliggende oppfinnelse er beskrevet i det etterfølgende.

Armen 410 er forbundet via kopler 407 til en optisk fiber 552, som er sammenkoplet via kopler 422 til en arm 554 på mottakerinterferometeret. I arm 428 til mottaker 418 er anordnet en annen polarisasjonsstyreinnretning 557 for å opprettholde polarisasjonen til lyset som forplanter seg i denne armen 428. I tillegg er det anordnet en fasemodulator 558 i optisk forbindelse med armen 428 til mottaker 418. Fasemodulatoren 558 blir styrt av en forbindelse til en signalgenerator 550 som sender ut et sinussignal med en modulasjonsf rek vens fm. Signalgeneratoren 550 er også forbundet til en portkrets 556 for å styre denne port ved frembringelse av et firkantbølgesignal på en periodisk basis. Port 556 er forbundet med en AC-forsterker 553 som i seg selv er forbundet med detektor 434 for å motta og forsterke optiske signaler fra dektektoren 434 for videre behandling i port 556 som det vil bli beskrevet nedenfor. Utgangen til port 556 er elektronisk forbundet med en spektrumanalysator 560 for anvendelse i identifiseringen av sidebåndene rundt en harmonisk av modulasjonsfrekvensen for å kunne overvåke faseskiftet i sensoren 404 ved en bestemt frekvens.

I systemet på figur 16 forplanter de optiske signalene seg og interfererer på måten som tidligere er beskrevet under henvisning til figurene 7 og 15, unntatt hvor annet er indikert nedenfor. Spesielt blir lyset i arm 428 fasemodulert av fasemodulatoren 558 som blir drevet med en modulasjonsfrekvens som korresponderer til driftsfrekvensen til generator 550. Som et resultat blir intensiteten til utgangssignalet fra kopleren 424 som mottas av detektoren 434 modulert og det resulterende elektriske utgangssignalet fra detektor 434 inneholder komponenter med fasemodula-sjonsfrekvensen fm og dennes harmoniske, som indikert ved den følgende likning:

hvor:

C er en konstant;

Jnangir den n'te ordens Bessel-funksjon;

AØmer amplituden til fasemodulasjonen mellom lysbølgene i armer 428 og 554 på grunn av fasemodulatoren 558;

wn= 2rrfm; AØaer amplituden til fasedifferansen mellom lysbølgene i armer 428 og 554 frembrakt av eksterne akustiske signaler;

coat = 2rrfa; og

AØeer amplituden til fasedifferansen mellom lyssignalene i armene 428 og 554 frembrakt ved sakte endringer i omgivelsen.

Likning 25 indikerer at utgangssignalet fra detektor 434 inneholder uttrykk som innbefatter: cos(AØasin toat + AØe) og sin(A0asin o>at + AØe). Disse cosinus- og sinuselementer har imidlertid forskjellige frekvenser. Dersom signalene hadde den samme frekvensen, og med sine faser i kvadratur, kunne velkjente trigonometriske regler anvendes slik at signalene kunne adderes direkte for å få frem et enkelt, lavfrekvens, sinusformet signalet hvis fase korresponderer med (AØasin coat + AØe). Et slikt forhold kan oppnås i systemet på figur 16 ved anvendelse av amplitudemodulasjon. Amplitudemodulasjon involverer ganske enkelt å behandle amplituden til det elektriske utgangssignalet fra detektor 434 slik at den varierer i samsvar med amplituden til et modulasjonssignal.

Når utgangssignalet fra detektor 434 er amplitudemodulert av et modulasjonssignal som har en frekvens som er et ulikt multippel av fasemodula-sjonsfrekvensen (fm) (som også er differansefrekvensen mellom tilliggende harmoniske), blir hver komponent av utgangssignalet fra detektor 434 som er en harmonisk av fm delvis overført til frekvensene til sine harmoniske naboer. Med andre ord vil på denne måte ved amplitudemodulasjon sidebåndfrekvenser bli dannet ved harmoniske til fasemodulasjons-frekvensen. Sidebåndfrekvensene blir kombinert med komponenten til utgangssignalet med den korresponderende frekvens og blir umiddelbart identifisert ved anvendelse av en spektrumanalysator.

Disse og andre egenskaper vedrørende amplitudemodulasjon er generelt kjent for fagkyndige og er beskrevet detaljert i F.G. Stremler, Introduc-tion to Communication Systems, Addison-Wesley (1979), som herved er innlemmet som referanse. Deler som er spesielt relevante i denne del av foreliggende beskrivelse, finnes på sidene 191-260 i nevnte Stremler-bok.

Basert på ovenstående, vil det forstås at en sinusamplitudemodulasjon med en frekvense fm vil overføre energi ut av hver harmoniske frekvenskom-ponent og inn i den nærmeste harmoniske frekvensnabo. For å forhindre interferens i det foreliggende sensorsystemet, er det ønskelig at fm er mye større enn fa (frekvensen til akustiske signaler som blir detektert).

I drift blir det optiske signalet i arm 428 til mottaker 418 amplitudemodulert med en frekvens som blir styrt av frekvensgenerator 550. Som indikert ovenfor, er frekvensen til generator 550 valgt slik at fm (modulasjonsfrekvensen) er mye større enn den akustiske frekvensen (fa). Signalet fra arm 428 passerer gjennom kopler 424 hvor det blir blandet med signalet fra arm 554 og frembringer et intensitetsmodulert signal på grunn av fasedifferansen som blir sendt til detektor 434. Fra detektor 434 blir det intensitetsmodulerte signalet på grunn av fasedifferansen sendt via en forsterker 553 hvor signalet blir forsterket og så sendt til en konvensjonell elektronisk port 556.

Port 556 fungerer som respons på et signal som mottas på ledning 55 fra frevensgeneratoren 550 og bringer porten 556 til å frembringe en firkantbølgeamplitudemodulasjon av signalet mottatt fra forsterker 553. Når det er modulert med den riktige fasen med hensyn til AC-dektektor-strømmen, og med riktige valg avAØm, kan det amplitudemodulerte signalet til denne utførelse bli definert som

cos[nojmt - (A(J)asin coat + AØe)].

Med hensyn til den riktige fasen og amplitude for modulasjon, er det å merke seg at på grunn av de trigonometriske forhold mellom bølge-formene i kopleren 424, vil amplitudemodulasjon ved like harmoniske til fm ikke frembringe kopling mellom tilliggende harmoniske frekvenser. Snarere ville amplitudemodulasjon ved like harmoniske av fm resultere i like harmonisk kopling med like harmoniske, og ulike harmonisk kopling med ulike harmoniske. Denne situasjon forstås generelt av fagkyndige, og basis for denne tilstand kan forstås bedre med referanse til Stremler-boken som er blitt nevnt ovenfor. Disse problemer blir unngått dersom amplitudemodulasjon ved ulike harmoniske blir anvendt.

Utgangssignalet fra port 556 blir sendt via ledning 568 til en spektrumanalysator for behandling. Det er å merke seg at spektrumanalysatoren 560 innbefatter et båndpassfilter for å velge og analysere bestemte komponenter av signaler. Dersom et slikt båndpassfilter som er sentrert på 2cJm, ble plassert på utgangssiden til porten, og dersom amplituden til fasemodulasjonenAØmble valgt riktig, vil filteret videresende et signal av formen:

hvor k er en konstant som ikke påvirker identifikasjonen og vurderingen av faseskift som opptrer i sensoren ved bestemte frekvenser.

Ved å sende det demodulerte signalet fra porten 556 inn i spektrumanalysatoren 560, kan høyden til Bessel-funksjonssidebåndene rundt den andre harmoniske til modulasjonsfrekvensen bli målt ved anvendelse av teknikker som er velkjent på området for å gi faseskiftet i sensoren ved en bestemt frekvens. Alternativt kan for et komplisert signal en fm demodulator bli brukt. I det tilfellet vil det målte signalet være den deriverte til fasen snarere enn den virkelige fasen, eller alternativt kunne en integrator bli brukt for å frembringe et målt signal som er representativt for den virkelige fasen.

Etter ønske kan portstyringen til systemet på figur 16 bli utført optisk snarere enn elektrisk ved å anvende i det minste en optisk port såsom en lukker, anordnet mellom kopler 424 og detektor 434, eller på en annen fiber i systemet som består av en optisk bane hvor alle lyssignalene forplanter seg såsom fiber 402, eller optisk fiber 552. Dersom porten ble anordnet i avstand fra detektoren 434, kunne porten bli styrt av et forsinkelsessignal med en frekvens fm slik at lyset som forplanter seg innenfor systemet ville bli amplitudemodulert med fm-frekvensen i riktig fase med den fjerne porten. I alle andre henseender vil anvendelsen av optisk portstyring tilveiebringe et resultat som i hovedsak er identisk til det som er beskrevet i forbindelse med elektrisk portstyring.

Utførelsen på figur 16 ble konstruert og utprøvd for å evaluere dens ytelse. I denne utførelse besto lyskilden 100 av en i hovedsak enkelmoduslaserdiode som sendte ut 790 nm lys. Alle optiske fibre i systemet besto av ITT-1601-fiber som er utformet for anvendelse ved 633 nm, men som styrer en enkelmodus løst ved 790 nm. Differansen i armlengder i hvert individuelt interferometer var omtrent 21 meter, mens differensial-lengdene til de to interferometrene 404 og 418 var tilpasset til å ligge innenfor 8 cm ved å anvende 120 psek. (FWHM) pulser for å måle delta-funksjonsreaksjonen til hvert interferometer separat.

Koherenslengden til lyskilden 100 ble bestemt til omtrent 4,5 m i fiberen. Retningskoplerne var av typen beskrevet tidligere og det samme var fasemodulatorene. Polarisasjonsstyreinnretningene korresponderer til de som er beskrevet i det etterfølgende. En polarisasjonsstyreinnretning 557 tillot polarisasjonene til de to banene som fører interfererende signaler (banen definert av armer 410 og 554 og banen definert av armer 409 og 428) å bli innrettet slik at modulasjonsdypden ble maksimalisert. Den andre polarisasjonsstyreinnretningen 551 tillot den korteste og lengste banen (banen gjennom armer 409 og 554 og banen gjennom armer 410 og 428, respektivt), begge å være enten parallelle eller perpendikulære på banene som førte de interfererende signalene.

Koplingsforhold for den optiske kopleren ble bestemt ved anvendelse av impulsreaksjonen til systemet, med optimal respons i et l:2:l-forhold av pulsene, slik at effekten fra alle fire banene var lik.

Lys ble detektert ved den endeforbundne porten i kopler 408. Ved å rotere orienteringen av polarisasjonsstyreinnretningen 551 ble inkohe-rensstøy ved denne port redusert med omtrent 20-30 dB ved en gitt frekvens.

Inkoherensstøy målt på utgangen av systemet frembrakte et cosinusformet spektrum med minimumspunktene omtrent hver 10 MHz. Periodisiteten korresponderte til tidsforsinkelsen til interferometrene 404 og 418 som var omtrent 105 msek. Ved akustiske frekvenser var støyspektret relativt flatt og ved sin maksimalverdi.

Det ble bemerket at dersom baner som ikke bidro til de interfererende signalene ble gjort ortogonale på de interfererende signalbanene, så ble inkoherensstøy minimalisert, mens dersom alle banene var parallelle, ble støyen maksimalisert.

Det geometriske middel av den minimale detekterbare fasemodulasjons-amplituden med inkoherensstøyen minimalisert var 1,2 mrad/\/Hz. Når inkoherensstøyen i sensoren 404 ble maksimalisert, gikk den minimale målbare akustisk forårsakede fasedifferansen (AØa) til et gjennomsnitt på 4,1 mrad/\/Hz. Forholdet mellom den maksimaliserte og minimaliserte minimum detekterbare fasemodulasjon var 3,4.

Polarisasjonsstyreinnretningene 551 og 557

En type polarisasjonsstyreinnretning som er egnet for anvendelse i sensorsystemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse, såsom i utførelsen på figur 16, er vist på figur 17. Styreinnretningen innbefatter en basis 570 på hvilken en flerhet av opprettstående blokker 572a til 572d er montert. Mellom tilliggende blokker 572 er spoler 574a til 574c tangentielt montert på aksler 576a til 576c respektivt. Akslene 576 er aksielt innrettet med hverandre og er roterbart montert mellom blokkene 572. Spolene 574 er generelt sylindriske og er posisjonert tangentielt med akslene 576.

Et segment av optisk fiber 410 strekker seg gjennom aksielle hull i akslene 576 og er viklet om hver av spolene 574 for å danne tre spoler 578a til 578c. Radius til spolene 578 er slik at fiberen 410 blir påkjent for å danne et dobbeltbrytende medium i hver av spolene 578. De tre spolene 578a til 578c kan roteres uavhengig av hverandre om aksen til akslene 574a til 574c respektivt for å justere dobbeltbrytningen til fiberen 410 og således styre polarisasjonen til lyset som passerer gjennom fiberen 410.

Diameteren og antall viklinger i spolene 578 er slik at de ytre spolene 578a og 578c tilveiebringer en rommelig forsinkelse på en kvart bølge-lengde, mens den sentrale spolen 578d tilveiebringe en rommelig forsinkelse på en halv bølgelengde. Kvartbølgelengdespolene 578a og 578c styrer elliptisiteten til polarisasjonen og halvbølgelengdespolen 578a styrer retningen til polarisasjonen. Dette tilveiebringer et fullstendig område av justeringer av polarisasjonen til lyset som forplanter seg gjennom fiberen 410.

Det vil forstås imidlertid, at polarisasjonsstyreinnretningen kan være modifisert for å tilveiebringe bare de to kvartbølgespolene 578a og 578c, siden retningen til polarisasjonen (som ellers tilveiebringes av senter-spolen 578b) kan styres indirekte ved riktig justering av ellliptisiteten til polarisasjonen ved hjelp av de to kvartbølgespolene 578a og 578c. Følgelig er polarisasjonsstyreinnretningene 551 og 557 vist på figur 16 slik at de bare innbefatter de to kvartbølgespolene 578a og 578c. Siden denne utforming reduserer totalstørrelsen på styreinnretningene 551 og 557, kan den være fordelaktig ved visse anvendelser av den foreliggende oppfinnelse hvor det er plassbegrensninger.

Således tilveiebringer polarisasjonsstyreinnretningene 551 og 557 innretninger for å etablere, opprettholde og styre polarisasjonen til lyset innenfor arm 410 til sensor 404 og arm 428 til mottaker 418.

Fiberoptisk variabel forsinkelseslinje

En fiberoptisk utførelse av den variable forsinkelseslinjen, såsom 254 på figur 4 og 318 på figur 5, kan best beskrives med referanse til figurene 18-25. Figur 18 illustrerer en flerhet av optiske fibre 584 montert på et stykke 586 med individuelle V-spor (ikke vist) som strekker seg longitudinalt langs overflaten av stykket for å motta hver optisk fiber 584. Avtappinger er tildannet ved samtidig å polere fibrene og stykket 586 slik at hver av de optiske fibrene 584 blir avtappet i en lateral linje 585.

De optiske avtappingene er konstruert på fibrene 584 ved å montere dem i en kurvet utforming slik at den valgte delen av de optiske fibrene kan bli polert. Således er silikonstykket 586 montert på en blokk av kvarts 580 som har en buet øvre overflate 582. Etter posisjonering av fibrene i V-sporene, og festing av dem i sporene, blir de øvre overflatene av de optiske fibrene 584 polert i en lateral linje 585. Denne poleringsopera-sjon fjerner en del av kappen fra fiberen, selv om ikke alt kappemate-rialet rundt kjernen av den optiske fiberen 584 blir fjernet. Avstanden mellom kjernen til fiberen og den polerte overflaten avhenger av egenskapene til kopleren som skal tildannes for å definere egnede samvirkeområder for kopling av lysbølgene.

Den øvre halvdelen av forsinkelseslinjen er utformet av en kvartsblokk 591 som innbefatter et spor 593 av typen som ble brukt i den standardi-serte optiske kopler som ble beskrevet med henvisning til figur 2. Sporet 593 har en relativt stor kurveradius med topp i senteret av substratet 591. En optisk fiber 595 er plassert i sporet 593 og festet ved anvendelse av epoksy eller annet egnet festemiddel. Denne fiber blir så polert på det høyeste punktet av kurven langs med overflaten av kvartsblokken 591 for å gi en planar overflate for kappen som er noen få pm atskilt fra kjernen av fiberen, og som er koplanar med overflaten til kvartsblokken 591.

En indeks tilpassende olje er plassert på den flate overflaten 82 av silikonsubstratet 66. I dette tilfellet har den indekstilpassende oljen fortrinnsvis en brytningsindeks som er litt lavere enn brytningsindeksen til fiberelementene 584 og selve fiberkjernene for å forhindre tap av lys utenfor koplingsarealet.

For å få til en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje for i det minste et lite forsinkelsesområde, må kurveradiusen til det første substrat 596 være vesentlig større enn kurveradiusen til det andre substratet 591. Som et eksempel kan således det andre substratet 591 med enkelfiberen 590 ha en kurveradius på omtrent 25 cm. Når det er polert og klargjort, vil fiberen 595 ha en samvirkeområdelengde på omtrent 1 mm. Kurveradiusen til det første substratet 586 kan f.eks. være omtrent 50 cm. Når det første substratet er polert og klargjort, vil samvirkeområdet være vesentlig større enn samvirkeområdet for det andre substratet. Når således fiberen 595 til det andre substratet 591 er innrettet med en hvilken som helst av sløyfene til fiber 584 i samvirkeområdet til det første substratet 596, kan denne andre substratfiber 595 bli justert langs lengden av det første substratsamvirkeområdet.

Denne bevegelse langs lengden virker effektivt til å endre lengden som lyset forplanter seg gjennom og således tilveiebringes en kontinuerlig variabel forsinkelse.

Det kan selvfølgelig ses at ved å justere substratet 591 lateralt, kan fiberen 595 bli koplet med en hvilken som helst av sløyfene til fiberen 584. Ved således å bevege substratet 591 kan det oppnås forskjellige mengder forsinkelse, og derved tilveiebringes en diskret variabel forsinkelseslinje. Selv om figur 18 illustrerer den kontinuerlig variable forsinkelseslinjen som del av et diskret variabelt forsinkelseslinjeelement, kan den kontinuerlige variable forsinkelseslinjen bli konstruert ved å anvende bare en enkelt med stor kurveradius V-spor og fiber på det første substratet 586. Figur 19 viser et sidesnitt av den kontinuerlige variable fiberoptiske forsinkelseslinjen. I dette snitt er forskjellene i kurveradius mellom det første substratet 586 og det andre substratet 591 tydelig. Fra denne tegningen kan det også ses at ettersom det andre substratet 591 for-flyttes longitudinalt langs det første substratet 586 under opprettholdelse av kopling med fiberen 584 i det første substratet 586, vil avstanden mellom kjernene til fibrene 595 og 584 variere noe siden kjernen til fiberen 584 er litt buet. Denne forskjell i avstand vil forårsake noe forskjell i kopling. For mange anvendelser vil forskjellen i kopling være ubetydelig. Dersom det imidlertid er viktig at koplingen er identisk for alle forsinkelser, kan mengden av kopling varieres etter behov ved å forflytte det andre substratet 591 lateralt i forhold til det første substratet 586. Som nevnt tidligere, virker denne bevegelse slik at den endrer koplingen mellom de to fibrene 595 og 584. Figur 20 viser et oppsett som tillater nøyaktig justering av det øvre substratet 591 i forhold til det nedre substratet 586 for å tilveiebringe den nødvendige relative bevegelse mellom de to substrater. Lateral og vinkelbevegelse blir utført ved å feste kvartblokken 580 i et nedre trau dannet av et par vegger 602 og 604 til en ramme 606. Veggen 604 er litt lavere i høyde enn kanten av blokken 580 til forsinkelseslinjen. Et par avsatser 608 over veggene 102 og 104 er brede nok til å tillate at i det minste halvparten av bredden av substratet 591 kan gli over disse. En øvre vegg 610 støtter to fjærelementer 612 som opprettholder det øvre substratet f591 forspent bort fra veggen 610.

Et par mikrometre 614 og 616 er montert i rammen 606. Mikrometeret 614 bæres på det øvre substratet 591 til den variable forsinkelseslinjen mot en fjær 612 og blir justert til å endre den optiske koplingen fra en til annen av fibrene 585. Mikrometeret 614 er sentralt lokalisert på siden av substratet 591 for å tillate denne laterale justering uten rotasjon av substratet 591. Mikrometeret 616 er forskjøvet på de øvre substratet 591 slik at det kan bli brukt til å justere vinkelorienteringen av det øvre substratet 591 i forhold til det nedre substratet 580.

For å kunne oppnå longitudinal bevegelse av substratet 591 i forhold til substratet 586, er substratet 586 holdt på plass longitudinalt av pinner såsom pinnen 628. Substratet 591 blir forflyttet longitudinalt over substratet 586 ved å rotere en knapp 630. Knappen 630 er mekanisk koplet til blokker 632 og 634 for å bevege disse samtidig longitudinalt over en blokk 636 etter behov. Blokkene 632, 634 og 636 innbefatter svalehalesammenkoplinger 638 for å opprettholde innretting av disse elementer under slik justering. Når blokkene 632 og 634 blir forflyttet, virker trykket til mikrometrene 614, 616 og fjær 612 på det andre substratet 591 for å holde dette substrat 591 slik at det vil bli forflyttet langs blokkene 632 og 634. Figurene 21-23 viser en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje hvor kurveradiusen til det første substratet 586 er uendelig stor (dvs. at en del av substratet 586 er flat). Selv om dette er noe mer vanskelig å konstruere, eliminerer plasseringen av fiberen 584 på en flat silikon eller silisium V-spor endringer i kopling mellom fibrene 595 og 584 langs lengden av fiberen 584. Ettersom det andre substratet 595 blir forflyttet over det flate substratet 586, vil således avstanden mellom kjernene til fibrene 591 og 584 forbli konstant. Figurene 22 og 23 illustrerer maksimal og minimal forsinkelse respektivt, for denne innretning. Innretningen for å bevege det andre substratet 591 i forhold til det første substratet 586 er et mikrometer 642. Dette mikrometer 642, så vel som innretningen for å bevege substratene i forhold til hverandre som vist på figur 21, kan være motorisert eller servostyrt på en kjent måte. Figurene 24 og 25 viser to arrangementer for å oppnå et stort område av kontinuerlig variabel forsinkelse under anvendelse av en kombinasjon av et diskret variabelt forsinkelseselement og et kontinuerlig variabelt forsinkelseselement. På figur 24 kan det ses at det første elementet i forsinkelseslinjen er en diskret variabel forsinkelse hvori hver sløyfe-forsinkelse er lik T. I serier med denne diskrete variable forsinkelse er en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje hvori den variable forsinkelse er fra 0 til T. Den kontinuerlige variable forsinkelse kan tilveiebringes ved å kombinere en flerhet av kontinuerlig variable forsinkelseselementer som tilveiebringer kortere perioder av forsinkelse i serie med hverandre inntil de tilveiebringer en total kontinuerlig forsinkelse lik T. Figur 25 er et eksempel på hvordan kombinasjonen av diskrete og variable forsinkelseslinjer på figur 18 kan bli brukt i serie med en diskret variabel forsinkelse for å tilveiebringe kontinuerlig variabel forsinkelse over et stort område av tidsperioder. Kombinasjonsinnretningen vil ha en diskret variabel forsinkelse hvori hver sløyfeforsinkelse er lik T. Den kontinuerlige forsinkelse til kombinasjonsinnretningen vil være fra 0 til T/4. Den diskret variable forsinkelseslinjen som er plassert i serie med kombinasjonsforsinkelseslinjen vil ha en sløyfeforsinkelse på T/8. Dette vil virke til å tilveiebringe en kontinuerlig variabel forsinkelseslinje over en forsinkelsesperiode lik N x T, hvor N er antallet sløyfer i kombinasjonsforsinkelsesinnretningen.

Fiberoptisk modalkopler

Optiske kopiere som kan anvendes for å kople optiske signaler mellom modi i dobbeltbrytende eller to-modus optisk fiber er vist i R.C. Youngquist et al., "Two-mode Fiber Modal Coupler", Optics Letter, vol. 9, nr. 5 (mai 1984); J.L. Brooks et al., "Active Polarization Coupler For Birefringent Fiber", Optics Letters, vol. 9, nr. 6 (juni 1984); US patent-søknad med serienr. 556.305, inngitt 30. november 1983, med tittel "Birefringent Fiber Narrow Band Polarization Coupler"; og US patent-søknad med serienr. 556.306, inngitt 30. november 1983, med tittel "Fiber-Optic Modal Coupler". Hver av de ovenfor angitte referanser er herved innlemmet i beskrivelsen.

En foretrukket utførelse av en kopler for å tilveiebringe effektoverføring mellom grunn- og andre ordens modus i to-modusfibre, eller mellom X-og Y-polarisasjonsmodi i dobbeltbrytende enkelmodusfiber, består i en innretning som frembringer periodisk kopling mellom modiene som er tilpasset støtlengden til modiene. Denne periodiske kopling oppnås ved periodisk å deformere fiberen. Kopleren for å utføre denne kopling er beskrevet nedenfor i forbindelse med figurene 26-30.

1. Strukturelle egenskaper med kopleren

Figur 26 viser i perspektiv modalkopleren. En polert, flat overflate 910 er maskinert på en metall- eller plastblokk 911. Overflaten 910 bør være jevn og flat innenfor få pm. En optisk fiber 924 er anordnet mellom overflaten 910 og underoverflaten til en andre blokk 914 som har et område med flere åser 912 utmaskinert i denne. Åsområdet 912 tilveiebringer en serie av åsformede koplingselementer som når de presses mot fiberen 924 for å klemme fiberen mellom blokkene 911 og 914 påkjenner fiberen mekanisk i periodiske intervaller og forårsaker at lys blir koplet mellom modiene.

På figur 17 er det vist et tverrsnitt av åsområdet 912 i hvilket en flerhet av åser 916 er tildannet. Åsene 916 er formet ved å bearbeide blokken 914 for å tilveiebringe atskilte parallelle innskjæringer eller spor 917 slik at det blir dannet en flerhet av polerte åsoverflater 918 som hver har en bredde W og det er en avstand S mellom kantene til naboåser. I den viste utførelsen, er bredden W og atskillelsen S hver på en halv støt-lengde til fiberen for lys ved den bestemte frekvensen som blir brukt. Teoretisk kan bredden W til hver ås 916 være ethvert ulikt mutippel av en halv støtlengde og avstanden S mellom naboåser kan være ethvert ulikt multippel av en halv støtlengde.

Tverrsnittet til utskjæringene 917 i den foretrukne utførelse er rektangu-lære siden det er den enkleste formen å utarbeide. Denne form er imidlertid ikke kritisk. Enhver form som gir en flat overflate 918 på åsene 916 vil være tilfredsstillende forutsatt at høyden H til utskjæringen 917 er tilstrekkelig til å opprettholde påkjenning når materialet til åsen 916 blir deformert ved påføring av kraft på fiberen. I en foretrukket utførelse er blokken 914 laget av et hardt plastmateriale såsom "Deltrin". Denne plast deformerer før glass, og således unngås ødeleggelse av fiberen når den påkjennes mekanisk. For fullstendig effektoverføring er det viktig at åsene påfører påkjenning på fiberen for å tilveiebringe vekslende områder av deformasjon og ingen deformasjon i fiberen. Totallengden til innretningen er ikke kritisk; imidlertid er i den viste utførelsen lengden i størrelsesorden 2-3 tommer. Videre er det blitt funnet at når ikke dobbeltbrytende fiber blir brukt, er det nødvendig å påføre en kraft på omtrent 3 kg på blokken 914 for å oppnå maksimal kopling uavhengig av antall åser 916.

Det vises nå til figur 26. Blokken 914 har flere hull 920 atskilt i et mønster for å motta et sett av pinner 922 som strekker seg fra den flate overflaten 910 i et tilpasset mønster. Blokken 914 kan være skjøvet mot og bort fra den flate overflaten 910 langs pinnene 922. Pinnene 922 er således innrettet og åsen 916 slik orientert at kantene til åsene 916 er transversale til den longitudinale aksen til fiberen 924 som blir holdt på den flate overflaten 910 av et par av fiberholdende plater 926. Således er kantene til åsene 916, illustrert med henvisningstall 927 på figur 27, transversale i forhold til den longitudinale til fibre 924. Pinnene 922 tjener også til å forhindre rugging på blokken 914 for å hindre ujevnt trykk å bli påført fiberen 924.

Dersom det er ønskelig, kan endene av pinnene 922 være gjenget for å motta respektive muttere (ikke vist) og respektive springfjærer (ikke vist) kan være plassert mellom mutterne og den øvre blokken 914 for å styre trykket som utøves av topplaten 914 på fiberen 924.

Holdeplatene 926 er skiveformet med en V-formet utskjæring i seg for å motta fiberen og er montert i respektive sirkulære åpninger til respektive endeplater 928 som er montert ved enden av blokken 911 slik at de er perpendikulære på den flate overflate 910. En hvilken som helst egnet metode for å holde fiberen kan imidlertid alternativt brukes.

2. Teori for driften av dobbeltbrytende fiber

Som vist på figur 28 presser påføring av vertikal kraft F på platen 914 åsene 916 mot fiberen 924 og forårsaker således at delene til fiberen 924 som befinner seg under åsene 916 blir mekanisk påkjent. Åsene forårsaker brå endringer i fibergeometrien ved begynnelsene og sluttene av de påkjente områdene. For forklaringsformål kan disse brå endringer i fibergeometrien betraktes som grenser 944.

Det er fordelaktig for driften av innretningen at brå endringer i orienteringen av polarisasjonsaksene frembringes slik at slike endringer i orientering finner sted over et svært kort grenseområde. I den viste utførelsen er disse grenser 944 på figur 28 formet av kantene til koplingsoverflatene 918 til de ikke-påvirkede områder 916, og det således periodisk atskilt en halv støtlengde. I andre utførelser kan grensene 944 være atskilt i ulike multipler av en halv støtlengde.

Ved hver grense 944 blir lys koplet mellom modiene til fiberen 924. For en dobbeltbrytende fiber 924 skifter de ortogonale polarisasjonsaksene X og Y (som korresponderer med polarisasjonsmodiene X og Y) brått ved hver grense 944 over en vinkel 0 til ortogonale akser med polarisasjon X' og Y' som vist på figur 29.

3. Teori for driften av dobbeltbrytende fiber

På figur 30 er en type modalkopler som innbefatter en to-modusfiber 924 vist. En kraft F blir påtrykt den øvre blokken 914 som forårsaker at koplingsoverflatene 918 til åsene 916 presser seg mot fiberen 924 og deformerer asymmetrisk fiberen. Åsene 916 forårsaker endringer i fibergeometrien ved begynnelsen og enden av hvert påkjent område 932 og 936 og skaper således grenser 944 mellom de påkjente og ikke-påkjente områdene.

For den ikke-dobbeltbrytende fiberen 924 blir senterlinjen eller den langående aksen 946 til fiberen brått endret ved hver grense 944 i retningen til den påførte kraften. Slik brå endring av fiberaksen 946 forårsaker at lys blir koplet fra grunn LPqi-settet av modi til det andre ordens LPjj-sett av modi ved hver av grensene 944. Den spesielle andre ordens modus som lyset blir koplet til, avhenger av retningen på kraften i forhold til polarisasjonen til det påtrykte lyset. Dersom f.eks. inngangslyset i grunnmodusen er vertikalt polarisert, vil slikt lys bare koples til den vertikal-perpendikulære andre ordens modus og ikke til den vertikal-parallelle andre ordens modus, den horisontale normale andre ordens modus eller den horisontale parallelle andre ordens modus (se figur 11). Anta nå at kraften fremdeles er vertikal, men at inngangslyset er horisontalt polarisert i grunnmodusen, så vil slikt lys koples bare til den horisontale parallelle andre modus og ikke til noen av de andre ordens modi. Selvfølgelig er det kjent andre utførelser av kopiere for anvendelse ved to-modusfibre, såsom kopleren beskrevet i H.F. Taylor-referansen som ble nevnt tidligere, og som forklarer en innretning for å påføre periodiske bøyninger på to-modusfiberen for å få til koplingen.

Oppsummert innebærer oppfinnelsen beskrevet her ikke bare vesentlige forbedringer i forhold til den kjente teknikk for å overvåke omgivelsestilstander ved flere lokaliseringer med anvendelse av en optisk kilde som har kort koherenslengde, men den overkommer også andre lenge eksister-ende problemer i industrien ved at den (1) tilveiebringer et system som kan utformes for kontinuerlig avføling av alle av en flerhet av sensorer; (2) den tilveiebringer utforminger som tillater nøyaktig avføling ved fjerne lokaliseringssteder uten omgivelsesskjerming av trådene; (3) den tilveiebringer heterodynbehandling av optiske signaler på en enkel, økonomisk og valgfri helfiberoptisk måte som frembringer nøyaktige og enkelt analyserbare informasjonssignaler for å identifisere omgivelsespåvirkning som påvirker sensorene; og (4) den tilveiebringer det optimale av helfiberoptiske sensorrekke-systemer som ikke krever bruk av masseoptikk eller av elektronisk utstyr i sensorområdet.

Oppfinnelsen kan utføres på andre spesifiserte måter uten at rammen for den forlates. De beskrevne utførelser må anses på alle måter som bare illustrative og ikke restriktive. Rammen for oppfinnelsen er derfor indikert ved de etterfølgende patentkrav snarere enn den foregående beskrivelse. Alle endringer som kommer innenfor forståelsen og området av ekvivalens av kravene ligger innenfor rammen av oppfinnelsen.

Claims (25)

1. Anordning for fjernavføling av omgivelsespåvirkning på et par sensorer (404, 406), karakterisert ved : en lyskilde (100); en flerhet av optiske bølgeledersegmenter (409, 410, 426, 428) som definerer første, andre, tredje og fjerde lysbane for nevnte lyskilde, idet nevnte første og andre lysbaner er forskjellige i i det minste et av-følingsområde (404) og hvor i det minste en av nevnte første og andre lysbaner blir påvirket omgivelsespåvirkning i nevnte avfølingsområde, og nevnte tredje og fjerde lysbaner er forskjellige i i det minste et mottaksområde (418) og i hovedsake like i lengde respektivt med nevnte første og andre lysbaner og blir ikke utsatt for den samme omgivelsespåvirkning som nevnte første og andre lysbaner, og hvor i det minste en del av nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner er definert av et bølgeledersegment (402) som består av optisk fiber som forbinder optisk nevnte avfølings- og mottaksingsområder; og en innretning (424) for å kombinere lys fra nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner, idet nevnte innretning kopler på koherent måte lys bare fra lysbaner som i hovedsak korresponderer i lengde med en spesifisert bane av nevnte første og andre lysbaner til enhver tid.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved : første og andre optiske interferometre optisk koplet til lyskilden for å definere i det minste en del av nevnte første og andre lysbaner, idet første og andre interferometre hver er følsomme for omgivelsespåvirkning av lys som forplanter seg i nevnte første og andre lysbaner som reaksjon på nevnte omgivelsespåvirkninger; i det minste et tredje optisk interferometer som definerer i det minste en del av den tredje og fjerde lysbane som i hovedsake er like i lengde respektivt ved den første og andre lysbane, idet nevnte tredje interfero meter ikke er utsatt for den samme omgivelsespåvirkning som nevnte første og andre interferometre; og hvor bølgeledersegmentet er optisk koplet til i det minste en av nevnte første og andre interferometre og til nevnte tredje interferometer slik at lys fra nevnte første og andre interferometre blir forplantet til den optiske forbindelsen med nevnte tredje interferometer bare gjennom nevnte optiske bølgeleder.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at de optiske banelengdedifferansene mellom de optiske banene i hvert interferometer er større enn en kildekoherenslengde til lyskilden, og at nevnte banelengdedifferanser til de optiske banene i det første interferometeret er forskjellig fra nevnte optiske banelengdedifferanse til de optiske banene i det andre interferometeret med i det minste en kildekoherenslengde til lyskilden; differansen i optiske banelengder mellom de optiske banene i nevnte tredje interferometer er i hovedsak lik differansen i optiske banelengder til paret av optiske baner i i det minste en av nevnte første og andre interferometre; og innretningen for å kombinere lys består av en innretning for å motta lys fra det tredje interferometeret og for på koherent måte å kople nevnte lys fra nevnte tredje interferometer og derved tilveiebringe et optisk signal som er representativt for omgivelsenes påvirkning på lys som forplanter seg gjennom en av de første og andre interferometre hvis optiske banelengde skiller seg fra dets par av optiske baner i hovedsak så meget at det korresponderer med den optiske banelengdeforskjellen mellom paret av optiske baner i nevnte tredje interferometer til enhver tid.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at flerheten av optiske bølgeledersegmenter består av i det minste første og andre fiberoptiske interferometer som består av avfølingsinterferometre, idet nevnte avfølingsinterferometer definerer et par av optiske baner, og i det minste en del av hvert av nevnte interferometre har en lystrans-misjonskarakteristikk som varierer som reaksjon på omgivelsestilstander, idet hver av nevnte avfølingsinterferometre har inngangs- og utgangsterminaler som er optisk koplet sammen for å danne et stigenettverk, og nevnte inngangsterminaler er optisk koplet til lyskilden, og hvor avfølingsinterferometrene er optisk atskilt fra hverandre og de optiske banelengdene for paret av optiske baner i hvert av nevnte avfølingsinter-ferometre er forskjellig for hvert interferometer en mengde slik at lys som sendes gjennom nevnte interferometre fra lyskilden og blir fordelt fra en hvilken som helst utgangsterminal er optisk inkoherent med hensyn til alt annet lys fordelt fra enhver annen utgangsterminal i et korresponderende tidspunkt; og flerheten av optiske bølgeledersegmenter i tillegg omfatter i det minste et tredje fiberoptisk interferometer som består av et mottaksinterferometer som er optisk koplet til utgangsterminalene til avfølingsinterfero-metrene og definerer et par av optiske baner hvis optiske banelengdedifferanser i hovedsak er tilpasset en optisk banelengdedifferanse til paret av optiske baner i et valgt avfølingsinterferometer, slik at deler av et optisk signal som blir sendt fra lyskilden gjennom sensorsystemet koples på koherent måte i en utgang fra mottaksinterferometeret og tilveiebringer et optisk signal som er representativt for tilstander som forårsaker endring i lystransmisjonsegenskapene til nevnte valgte avfølingsinterferometer.

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at flerheten av optiske bølgeledersegmenter omfatter i det minste en optisk fiber optisk koplet til lyskilden, og nevnte optiske fiber definerer første og andre ortogonale modi for forplantning av lys derigjennom; nevnte apparat er videre kjennetegnet ved at en flerhet av innretninger er posisjonert i valgte steder på nevnte optiske fiber for å virke på nevnte fiber for å kople lys mellom nevnte ortogonale modi ved nevnte valgte steder, hvor et første par av innretninger for å påvirke er anordnet for å danne en første forplantningslengdedifferanse i de ortogonale modi derimellom og definere deler av nevnte første og andre lysbaner, med nevnte første forplantningslengdedifferanse større enn en koherenslengde til lyskilden, med de ortogonale modi mellom nevnte første par av påvirkningsinnretninger sensitive for en omgivelsespåvirkning som virker på lysforplantningen i nevnte ortogonale modi, og hvor et andre par av påvirkningsinnretninger er anordnet for å danne en andre forplantningslengdedifferanse i de ortogonale modi derimellom, og definerer deler av nevnte tredje og fjerne lysbaner, med nevnte andre forplantningslengdedifferanse i hovedsak lik den første forplantnings-lengdedifferansen, og med de ortogonale modi mellom det andre paret av påvirkningsinnretninger ikke utsatt for den samme omgivelsespåvirkning som de ortogonale modi mellom det første paret av påvirkninsinnret-ninger; og anordningen er ytterligere kjennetegnet ved at innretningen for å kombinere lys består av innretninger for å motta lys fra de ortogonale modi mellom det andre paret av påvirkningsinnretninger og for på koherent måte å kople nevnte mottatte lys, og derved tilveiebringe et optisk signal som er representativt for omgivelsenes effekt i påvirkning av lys som . forplanter seg gjennom de ortogonale modi mellom det første paret av påvirkningsinnretninger.

6. Innretning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1, 2, 3, 4 eller 5, karakterisert ved at lyskilden består av en optisk kilde som har en kort koherenslengde.

7. Anordning for fjernavføling av omgivelsespåvirkninger som angitt i et hvilket som helt av kravene 1, 4 eller 6, karakterisert ved at den første og andre lysbane er forskjellig i lengde i en mengde som i det minste er så stor som en koherenslengde til lyskilden.

8. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at de tredje og fjerde lysbaner eksisterer bare ved forskjellige tidspunkter.

9. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at første og andre optiske interferometre i nevnte i det minste ene avfølingsområde, og nevnte første og andre interferometre definerer deler av nevnte første og andre lysbaner som er forskjellige i nevnte avfølingsområde.

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte første og andre interferometre frembringer en differanse i lengden av nevnte første og andre lysbaner som i det minste er så stor som en koherenslengde til lyskilden.

11. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at innretningen for å kombinere lys tilveiebringer et utgangssignal som består av fasedifferansen til det koherent koplede lyset, og nevnte fasedifferanse er representativ for omgivelsespåvirkning som påvirker nevnte lysbane hvis lys blir koherent koplet i nevnte kombinasjonsinnretning.

12. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1, 2 eller 3, karakterisert ved at i avfølingsområdet består den første og andre lysbane av ortogonale modi av en enkel optisk fiber.

13. Anordning som angitt i krav 12, karakterisert ved at i mottaksområdet består den tredje og fjerde lysbane av ortogonale modi av en enkel optisk fiber.

14. Anordning for fjernavføling av omgivelsesvirkninger som angitt i krav 1, karakterisert ved at de optiske bølgeledersegmentene omfatter en optisk fiber som definerer den første, andre, tredje og fjerde lysbane i avfølingsområdet, og anordningen er videre kjennetegnet ved innretninger selektivt anordnet på nevnte optiske fiber for å påvirke nevnte optiske fiber for å frembringe kopling av lys mellom i det minste to av nevnte første, andre, tredje og fjerde lysbaner i nevnte valgte posisjoner.

15. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 2, 3 eller 4, karakterisert ved at nevnte første og andre optiske interferometre omfatter første og andre optiske fiber som definerer nevnte del av nevnte første og andre lysbaner som ortogonale modi innenfor nevnte optiske fibre.

16. Anordning som angitt i krav 15, karakterisert ved at nevnte tredje optiske interferometer omfatter en optisk fiber som definerer nevnte del av nevnte tredje og fjerde lysbaner som ortogonale modi i nevnte fiber.

17. Anordning som angitt i krav 5 eller 16, karakterisert ved at nevnte optiske fibre består av dobbeltbrytende fibre og hvor nevnte ortogonale modi i nevnte fibre omfatter ortogonale polarisasjoner.

18. Anordning som angitt i krav 5 eller 16, karakterisert ved at nevnte optiske fibre består av to-modusfibre, og hvor nevnte ortogonale modi i nevnte fibre omfatter en modus av et grunnmodussett og en modus av et andre ordens modussett av nevnte to-modusfibre.

19. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 15, 16, 17 eller 18, karakterisert ved innretninger selektivt anordnet på nevnte optiske fibre for å påvirke nevnte optiske fibre for å frembringe kopling av lys mellom nevnte ortogonale modi.

20. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 5, 14 eller 19, karakterisert ved at innretningen for å påvirke nevnte fiber omfatter fiberoptiske modalkoplere for overføring av optiske signaler mellom forplantningsmodi til en optisk fiber ved å påføre mekanisk påkjenning på den optiske fiber i atskilte intervaller.

21. Anordning som angitt i krav 2 eller 4, karakterisert ved en detektor optisk koplet til innretningen for å kombinere, idet nevnte detektor danner et utgangssignal som korresponderer med fasedifferansen til koherent koplet lys; og en krets for amplitudemodulering av utgangssignalet for å frembringe et første signal som har valgte harmoniske som inneholder både sinus- og cosinuskomponenter av utgangssignalet, og derved sørger for analyse av utgangssignalet for å identifisere omgivelsesfaktorer som påvirker den første og andre lysbane.

22. Anordning som angitt i krav 21, karakterisert ved en signalgenerator for å tilveiebringe et fasemodulasjonssignal med en valgt modulasjonsfrekvens; en fasemodulator som reagerer på signalgeneratoren for fasemodulering av lysbølgene i det tredje interferometeret med den valgte modulasjonsfrekvensen; og hvor kretsen fungerer slik at den amplitudemodulerer utgangssignalet med den valgte modulasjonsfrekvensen.

23. Anordning som angitt i et hvilket so helst av kravene 2, 3 eller 4, karakterisert ved at en av de optiske banene til det tredje interferometeret omfatter en variabel forsinkelseslinje som tillater at lengden til nevnte optiske bane kan varieres slik at den optiske banelengdedifferansen mellom de optiske banene i mottaksinterferometeret blir variert for i hovedsak å være lik den optiske banelengdedifferansen mellom de optiske banene i en av nevnte første og andre interferometre i et første tidspunkt, og i hovedsak lik den optiske banelengdedifferansen mellom de optiske banene i en annen av nevnte første og andre avfølingsinterferometre i et andre tidspunkt.

24. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 2, 3 eller 4, karakterisert ved at nevnte i det minste en tredje optiske interferometer omfatter et tredje og fjerde optisk interferometer, idet nevnte tredje og fjerde optiske interferometer definerer et par av optiske baner, hvor de optiske banedifferansene mellom paret av optiske baner i nevnte tredje og fjerde interferometre i hovedsak er tilpasset respektivt de optiske banedifferansene mellom de optiske banene i første og andre interferometre og derved gjør det mulig å overvåke etter omgivelsespåvirkninger på det første interferometret ved hjelp av et lys fra det tredje interferometeret samt overvåke omgivelsespåvirkninger på det andre interferometeret ved hjelp av lys fra det fjerde interferometeret.

25. Anordning som angitt i krav 2 eller 3, karakterisert ved at en utgangsterminal til det første interferometeret er optisk koplet til en inngangsterminal til det andre interferometeret, og ved at en utgangsterminal til det andre interferometeret er optisk koplet gjennom nevnte optiske bølgeleder til en inngangsterminal til det tredje interferometeret og definerer en serieutforming.