DE3688091T2

DE3688091T2 - Verteilter Sensor und den kohärenten Multiplexbetrieb von interferometrischen Fiberoptiksensoren verwendendes Verfahren.

Info

Publication number: DE3688091T2
Application number: DE86300751T
Authority: DE
Inventors: Kjell Blotekjaer; Janet L Brooks; Byoung Yoon Kim; Herbert John Shaw; Moshe Tur; Robert H Wentworth; Robert C Youngquist
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1985-02-08
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2006-02-06
Also published as: ATE87363T1; CA1276078C; KR970001415B1; EP0191588B1; DE3688091D1; JPS61210910A; KR860006714A; EP0191588A2; NO860432L; US4699513A; AU5270886A; EP0191588A3; JPH0781888B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf faseroptische Sensoren und insbesondere auf verteilte faseroptische Sensorgruppierungen, die eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge verwenden.
Während der vergangenen Jahre wurden faseroptische Einrichtungen intensiv studiert und für einen Einsatz in verschiedenen Sensoranwendungen in vielen verschiedenen Gebieten entwickelt. Ein Grund für dieses Interesse ist die Empfindlichkeit optischer Fasern gegenüber Bedingungen der Umwelt, die sie umgibt. Beispielsweise beeinflussen Faktoren wie Temperatur, Druck und akustische Wellen die Lichtübertragungseigenschaften optischer Fasern direkt. Diese Veränderungen in der optischen Faser erzeugen eine Veränderung in der Phase von Lichtsignalen, die die Faser durchlaufen. Somit ist eine Messung der Veränderung der Phase optischer Signale, die durch die Faser hindurchgeleitet worden sind, repräsentativ für Veränderungen in denjenigen Umweltbedingungen, die die Faser beeinflußt haben.
In letzter Zeit wurden besondere Anstrengungen auf die Entwicklung von Systemen gerichtet, bei denen Sensoren in Gruppierungen angeordnet sind, so daß mehrere Sensoren das Licht einer einzigen Quelle verwenden können, wobei eine Information über die Umgebung an einer gemeinsamen Erfassungsstelle zur Verfügung gestellt wird. Idealerweise würde eine derartige Anordnung aus einer Fasereingangsbusleitung bestehen, die das Licht zu einem Satz von Sensoren leiten würde. Jeder Sensor würde eine Information über die Umgebung an diesen optischen Träger abgeben. Eine Ausgangsfaserbusleitung würde diese Information dann aufnehmen und sie zurück zu einer zentralen Verarbeitungsstelle bringen, wo eine Information, die von irgendeinem ausgewählten der Sensoren erhalten wird, leicht identifiziert und analysiert werden könnte.
Das Ziel dieser Entwicklungsbemühungen ist es, Sensoranordnungen herzustellen, die für spezielle Anwendungsfälle verwendet werden können, wie beispielsweise eine Überwachung von sich schnell verändernden Umweltbedingungen. Derartige Sensoranordnungen können beispielsweise dazu verwendet werden, akustische Wellen zu erfassen, um die Position der Quelle und die akustischen Eigenschaften solcher Wellen zu bestimmen. Für viele derartige Anwendungen kann es erforderlich sein, die Gruppierungen über einen relativ weiten Bereich mit Abstand anzuordnen. In diesen Situationen würde ein Ersetzen elektrischer Leitungen beispielsweise durch Faseroptik die Probleme überwinden, die mit der Verwendung solcher elektrischen Leitungen verbunden sind, wie beispielsweise die elektrische Aufnahme, das Kabelgewicht und die Sicherheitsrisiken. Selbst wenn der Sensor in einem begrenzten Raum verwendet wird, schafft die Beseitigung von Elektronik und Bulk-Optik-Komponenten im allgemeinen eine verbesserte Systemleistung aufgrund eines verringerten Rauschens. Andererseits bewirkt ein Ersetzen langer elektrischer Leitungen durch optische Fasern ein Problem dahingehend, einen Einfluß von Umgebungsbedingungen auf die Nicht-Sensor-Teile des Systems zu vermeiden oder zu beseitigen. Dieser Gesichtspunkt wird daher zu einem wichtigen Konstruktionskriterium.
Das vorrangige Konstruktionskriterium bei der Entwicklung einer Sensoranordnung ist natürlich das Verfahren, durch das Information von jedem Sensor für eine individuelle Identifikation aus allen Informationen getrennt werden kann, die an der zentralen Verarbeitungsstelle auf dem einzelnen Datenstrom ankommen. Früher entwickelte verteilte Erfassungssysteme haben im allgemeinen eine von zwei Lösungsmöglichkeiten zur Trennung von Information eines individuellen Sensors aus einem einzigen Datenstrom angewendet. Die erste Lösungsmöglichkeit umfaßt einen Zeitmultiplex der Sensorausgänge, wie es beschrieben wird in A. R. Nelson und D. H. McMahon, "Passive Multiplexing Techniques For Fiber-Optic Sensor Systems", I.F.O.C., Seite 27, März 1981. Bei einem Zeitmulitplex ist der optische Eingang im allgemeinen meistens gepulst, so daß das Eingangssignal eine Pulswellenform hat. Als ein Ergebnis produziert jeder Sensor einen Impuls, der infolge der Systemgeometrie zeitlich von den anderen Sensorsignalen getrennt ist. Insbesondere wird der optische Eingangsimpuls, der durch jeden Sensor übertragen wird, durch jeden der Sensoren zu einer unterschiedlichen Zeit an der Ausgangsfaser plaziert. Durch eine Steuerung der relativen Position der Sensoren kann ein Überlappen der Pulssignale erzielt werden, wenn die Signale von den Sensoren auf einen Rückleitungsfaserbus gemultiplext werden. Diese überlappten Pulssignale werden dann zurück zu der zentralen Verarbeitungsstelle geleitet, wo ein Demultiplexen und eine weitere Signalverarbeitung durchgeführt werden.
Ein Problem, das diesem Systemtyp inhärent ist, besteht darin, daß die Frequenz, mit der die Sensoren überwacht werden können, durch die Anzahl der Sensoren begrenzt wird. Insbesondere ist zu beachten, daß ein zweiter Impuls nicht von der optischen Quelle übertragen werden kann, bis eine bestimmte Zeitdauer abgelaufen ist. Wenn der zweite Impuls durch den der Quelle nächstliegenden Sensor übertragen worden wäre, bevor die optischen Signale von allen Sensoren den Ausgangsanschluß dieses Sensors passiert hätten, ist es möglich, daß Signale, die aus dem zweiten Impuls resultieren, durch die ersten Sensoren in der Anordnung hindurchtreten und auf dem Rückleitungsbus plaziert werden könnten, bevor optische Signale hindurchtreten, die von Sensoren an dem Ende der Anordnung erzeugt werden. Dieses würde natürlich verhindern, daß die Demultiplex- und Signalverarbeitungseinrichtungen die Beziehung zwischen dem empfangenen Impulssignal und seinem zugehörigen Sensor bestimmen. Solche Systeme sind daher oft bei Anwendungen nicht brauchbar, die eine schnelle wiederholte Erfassung von Umweltbedingungen durch jeden Sensor in der Anordnung erfordern.
Die zweite Lösungsmöglichkeit, die für die Trennung der Information jedes Sensors von dem einzelnen Datenstrom verwendet worden ist, war ein Frequenzmultiplex der Sensorausgänge in der Weise, wie sie beschrieben wird von I. P. Giles, D. Uttam, B. Culshaw und D. E. N. Davies, "Coherent Optical-Fiber Sensors With Modulated Laser Sources", Electronics Letters, Vol. 19, Seite 14, 1983. Diese Lösungsmöglichkeit wird durch eine Frequenzrampe in der optischen Quelle (frequency ramping the optical source) sowie durch eine Anordnung der Gruppierungsgeometrie derart bewerkstelligt, daß die Durchgangszeit des Lichts von der Quelle zu einem Sensor und zurück zu der zentralen Stelle für jeden Sensor individuell ist. In diesem Fall ist der Gruppierungsausgang mit dem gegenwärtigen Ausgang der Quelle vermischt, wodurch eine individuelle zentrale Frequenz für jeden Sensor erzeugt wird. Die Umgebungsinformation wird in den Seitenbändern um diese zentrale Frequenz getragen.
Ein spezielles Problem bei dem oben beschriebenen System umfaßt die "Rücksprungzeit" ("fly back" period), wenn das periodische Rampensignal von seiner maximalen auf seine minimale Position zurückgesetzt wird. Diese Rücksprungzeit umfaßt eine Zeit, in der kein Systembetrieb auftritt, da kein Rampensignal vorliegt, und es würden keine bedeutsamen Ergebnisse erzeugt werden. Dieses bewirkt eine Begrenzung der Geschwindigkeit, mit der sich Umgebungsbedingungen verändern und von dem Sensorsystem dennoch zuverlässig überwacht werden können.
Ein anderes Problem bei diesem speziellen System ist es, daß die Anzahl der Sensoren, die in der Anordnung verwendet werden können, oder der Frequenzbereich der zu erfassenden Signale aufgrund des Bereichs der FM-Frequenzen, die in dem Rampensignal verwendet werden, und aufgrund der Periode des Rampensignals begrenzt ist. Da für jeden Sensor eine andere zentrale Frequenz erzeugt wird, gibt insbesondere der Betrag der Differenz zwischen jeder derartigen zentralen Frequenz und dem gesamten Bereich der Frequenzen, in dem diese zentralen Frequenzen enthalten sind, die Anzahl von Sensoren vor, die verwendet werden können. In gleicher Weise bestimmt die Anzahl der Sensoren zusammen mit dem gesamten Bereich der Frequenzen die maximale Differenz zwischen den zentralen Frequenzen und damit die maximalen Umgebungsfrequenzen, die erfaßt werden können. Der Bereich der Frequenzen ist natürlich durch die Steigung und die Periode des Rampensignals bestimmt.
Eine andere Begrenzung, die bei den beiden oben beschriebenen Lösungsversuchen auftritt, besteht darin, daß sie auf Quellen mit einer längeren Kohärenzlänge begrenzt sind, da sie die Verwendung einer Interferenz zwischen dem ursprünglichen Quellensignal und dem von dem Sensor erzeugten Signal benötigen, um die gewünschten Umgebungsbedingungen zu identifizieren. Somit verwenden beide Systeme entweder gepulste oder mit einer Rampe versehene kohärente Quellen zur Erzeugung des optischen Signals.
Der Gedanke, eine Quelle mit kurzer Kohärenzlänge zu verwenden, um Signale zu trennen, die von einer Serie von Sensoren zurückkehren, wurde vorgeschlagen von S. A. Al-Chalabi, B. Culshaw und D. E. N. Davies, "Partially Coherent Sources In Interferometric Sensors", Proceedings of the First International Conference On Optical Fiber Sensors, (I.E.E.E.), Seite 132, April 1983. Diese Schrift offenbart die Verwendung einer Serie von entfernten Mach- Zehnder-Interferometern, wobei die Differenz der Länge der Arme in jedem Interferometer größer ist als die Kohärenzlänge der Quelle, so daß kein Interferenzsignal an dem Ausgang der Interferometer vorliegt. Zwei optische Fasern verbinden die Ausgänge jedes Interferometers mit den Eingängen des nächsten Interferometers. Die Ausgangsfasern des letzten Fühlinterferometers sind mit den Eingangsanschlüssen eines einzelnen Referenzinterferometers verbunden, bei dem ein Detektor an einem seiner Ausgangsanschlüsse angeordnet ist. Das Referenzinterferometer ist aus Bulk-Optik-Komponenten konstruiert und so angeordnet, daß die Verzögerung in einem seiner Arme variabel ist. Der Empfänger verändert die Verzögerung in dem angegebenen Arm, wodurch die Länge der optischen Bahn durch diesen Arm effektiv verändert wird, um Signale von jedem der verschiedenen interferometrischen Sensoren in dem System aufzunehmen. Das Referenzinterferometer muß aus Bulk-Optik-Komponenten anstelle von Fasern konstruiert sein, so daß seine Armlänge ausreichend verändert werden kann, um eine beträchtliche Anzahl an Sensoren aufzunehmen.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß die Referenz von Al-Chalabi et al. nicht ein System offenbart, das jeden der verschiedenen Sensoren in einem verteilten System kontinuierlich überwachen kann. Das System nach Al-Chalabi et al. erfaßt vielmehr die von irgendeinem einzelnen Sensor zu einer vorgegebenen Zeit erfaßten Umgebungsbedingungen. Die Umgebungsbedingungen an allen Sensoren können nur periodisch erfaßt werden, indem jeder Sensor sequenziell überwacht wird. Die Frequenz, mit der dieses durchgeführt werden kann, ist durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der die Länge des variablen Arms des Empfängers verändert werden kann.
Ein weiteres Problem bei diesem System besteht darin, daß die π/2-Phasenverschiebung wichtig wird, die auftritt, wenn Licht zwischen zwei Fasern koppelt. Licht von einer Eingangsöffnung eines Fühlinterferometers tritt in den längeren Arm ein, verzögert um π/2 relativ zu Licht, das in den kürzeren Arm eintritt. Licht von der zweiten Eingangsöffnung tritt in den kürzeren Arm mit einer relativen Verzögerung von π/2 Radian ein. Diese Differenz in den relativen Verzögerungen führt zu einer Löschung zwischen den Signalen, die zu dem Licht gehören, das in jede der zwei Eingangsöffnungen eintritt, so daß dann nur der erste Sensor überhaupt irgendein Signal erzeugt, wenn alle Koppler auf eine Koppeleffizienz von 50% eingestellt sind.
Auf der Grundlage des oben Gesagten wäre es eine wichtige Verbesserung auf diesem Gebiet, ein Erfassungssystem und eine Technik zum Multiplexen mehrerer entfernter Sensoren zu schaffen, ohne daß die oben genannten Beschränkungen auftreten, die den Zeit- und Frequenzmultiplexschemata inhärent sind, die in der Vergangenheit verwendet wurden. Somit sollte das verbesserte System wahlweise zeitunabhängig sein, so daß im wesentlichen eine kontinuierliche Überwachung jedes Sensors möglich ist. Ein derartiges System sollte einen Betrieb ermöglichen, ohne daß die Verwendung von Elektronik oder aktiven Einrichtungen in dem Umgebungsaufnahmebereich notwendig ist. Vorzugsweise sollte ein derartiges System die Verwendung irgendeiner optischen Quelle aus einem weiten Bereich von optischen Quellen gestatten, und es sollte einfach und wirtschaftlich herzustellen und im tatsächlichen Einsatz anzuwenden sein.
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 29 und 31 dargelegt, wobei weitere Ausführungsbeispiele in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sind. Die Erfindung umfaßt eine kohärente verteilte Sensorvorrichtung und ein Verfahren, die vorzugsweise eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenzlänge verwenden, um ein Kohärenzmultiplexen einer Gruppierung von faseroptischen Sensoren zu erzielen. Eine Vorrichtung zur Fernerfassung von Umgebungseinwirkungen auf ein Paar Sensoren weist eine Lichtquelle und mehrere optische Wellenleiterabschnitte auf, die erste, zweite, dritte und vierte Lichtbahnen für die Lichtquelle festlegen. Die Sensorvorrichtung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lichtbahnen sich in mindestens einem Fühlbereich unterscheiden und daß mindestens eine der ersten und zweiten Lichtbahnen durch Umgebungseinwirkungen in dem Fühlbereich beeinflußt ist, wobei sich die dritten und vierten Lichtbahnen in mindestens einem Empfangsbereich unterscheiden und wobei ihre Länge im wesentlichen gleich der der ersten und zweiten Lichtbahnen ist und wobei sie nicht der gleichen Umgebungseinwirkung wie die ersten und zweiten Lichtbahnen ausgesetzt sind, wobei mindestens ein Abschnitt der ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen durch einen Wellenleiterabschnitt festgelegt ist, der eine optische Faser aufweist, die den Fühlbereich optisch mit dem Empfangsbereich verbindet. Das Sensorsystem der Erfindung weist weiterhin Multiplex-Einrichtungen zur Vereinigung von Licht von den ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen auf, wobei die Einrichtungen nur Licht von Lichtbahnen kohärent koppeln, die zu jeder Zeit in ihrer Länge im wesentlichen einer bestimmten der ersten und zweiten Lichtbahnen entsprechen.
Insbesondere weist die Sensoreinrichtung der Erfindung im allgemeinen eine optische Quelle mit kurzer Kohärenzlänge auf, die optisch an eine erste Vielzahl von Wellenleiterabschnitten gekoppelt ist, die mindestens einen Abschnitt erster und zweiter Lichtbahnen für Licht festlegen, das von der Lichtquelle eingekoppelt wird. Die ersten und zweiten Lichtbahnen werden an ersten und zweiten Stellen von einer Umgebungseinwirkung beeinflußt. Mindestens ein zweiter optischer Wellenleiterabschnitt ist für die Ausbreitung von Licht durch mindestens einen Abschnitt dritter und vierter Lichtbahnen vorgesehen. Die dritten und vierten Lichtbahnen sind in ihrer Länge im wesentlichen gleich den ersten und zweiten Lichtbahnen, jedoch sind die dritten und vierten Lichtbahnen nicht der gleichen Umgebungseinwirkung ausgesetzt wie die ersten und zweiten Lichtbahnen. Ein dritter optischer Wellenleiterabschnitt ist optisch mit einer der ersten Vielzahl von optischen Wellenleiterabschnitten und mit dem zweiten optischen Wellenleiterabschnitt gekoppelt, so daß sich Licht von der ersten Vielzahl von Wellenleiterabschnitten zu der optischen Verbindung mit dem zweiten Wellenleiterabschnitt nur durch den dritten optischen Wellenleiterabschnitt ausbreitet. Vorgesehen sind Einrichtungen zur Vereinigung von Licht von den ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen und zur kohärenten Kopplung von Licht nur von Lichtbahnen, die zu jeder Zeit im wesentlichen eine gleiche Länge haben wie eine bestimmte der ersten und zweiten Bahnen. In mindestens einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung existieren die dritten und vierten Lichtbahnen nicht gleichzeitig.
An die Einrichtung zur Vereinigung von Licht sind elektronische Detektoren optisch gekoppelt, die das gekoppelte Licht von ihr empfangen. Das kohärent gekoppelte Licht weist ein Phasendifferenzsignal auf, das der Differenz in der Phase zwischen Licht, das sich durch eine ausgewählte der ersten und zweiten Lichtbahnen ausgebreitet hat, und Licht, das sich in der dritten oder vierten optischen Bahn ausgebreitet hat, die eine ähnliche Länge hat, entspricht. Diese Phasendifferenz ist repräsentativ für die Umweltbedingungen, die die ausgewählte Lichtbahn in dem Sensorsystem beeinflussen. Die Detektoren sind typischerweise an anderen Informationsverarbeitungseinrichtungen zur Überwachung und Auswertung der speziellen Umweltbedingungen, die erfaßt worden sind, angeschlossen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Erfindung eine "parallele" Anordnung auf, bei der Licht von dem Laser mit kurzer Kohärenzlänge in eine Einzelwellentypfaser abgegeben und durch einen richtungsabhängigen Koppler dann entlang zweier Bahnen aufgespalten wird. Der Teil des Lichts, der die erste Bahn nimmt, tritt in einen faseroptischen Eingangsbus ein und wird an mehrere optische Fasern oder andere Komponenten, wie beispielsweise elektronische Wandler, verteilt, die Sensoren aufweisen, die jeweils an einem Anschluß optisch an den faseroptischen Eingangsbus angeschlossen sind und die an ihrem anderen Anschluß an einen faseroptischen Ausgangsbus angeschlossen sind, wodurch eine symmetrische Konfiguration gebildet wird. Der Teil des Lichts, der die zweite Bahn nimmt, tritt in eine faseroptische Abzweigverzögerungsleitung (tapped delay line) ein und wirkt als ein Referenzsignal.
Jeder Sensor gibt eine Umweltinformation in der Form von Modifikationen der optischen Phase an das Licht ab, das durch ihn hindurchtritt. Licht von jedem der Sensoren wird optisch an den faseroptischen Rückleitungsbus gekoppelt. Licht wird von dem Rückleitungsbus durch Koppler, die entlang eines anderen Teils seiner Länge angeordnet sind, optisch an mehrere optische Fasern gekoppelt, die Abgriffsstellen (taps) aufweisen. Die Differenz zwischen den Längen jeder der Lichtbahnen, die durch den faseroptischen Eingangsbus, einen individuellen Sensor und den faseroptischen Rückleitungsbus festgelegt werden, ist viel größer als die Kohärenzlänge der optischen Quelle, so daß eine Intensitätsmodulation nicht auftritt, wenn das Licht von jedem Sensor auf den faseroptischen Rückleitungsbus gesammelt wird.
Licht von der Rückleitungsbus-Abgriffsleitung wird mit Licht gemischt, das von der Verzögerungsleitung durch optische Fasern abgegriffen worden ist, die an bestimmten Stellen entlang der Verzögerungsleitung angeordnet sind. Diese Faserabgriffsstellen (fiber taps) sind so angeordnet, daß die Verzögerungsleitung und jede optische Faserabgriffsleitung eine optische Bahnlänge definieren, die im wesentlichen gleich der zugehörigen Eingangsbus-, Sensor-, Ausgangsbus- und Abgriffs-Bahnlänge ist. Die Verzögerungsleitung oder der Referenzarm ist gegen die Umgebung abgeschirmt, so daß jeder Detektor eine Umweltinformation mißt, die aus der Differenz in der Phase zwischen dem Licht besteht, das sich durch die Sensorlichtbahn ausgebreitet hat, und dem, das sich durch die entsprechende Verzögerungsleitung ausgebreitet hat.
Im allgemeinen weist das von einem Detektor gemessene Signal eine Umweltinformation auf, die mit den Eingangs- und Rückleitungsbussen sowie mit dem Sensor verbunden ist. Dieses ist jedoch normalerweise unerwünscht. Zwei Lösungen für dieses Problem sind möglich: Entweder sind die Fasern in den Eingangs- und Ausgangsbussen abgeschirmt; oder durch ein elektronisches Subtrahieren der in benachbarten Detektoren empfangenen Signale werden Differenzsignale gebildet, die von auf den Bussen induzierten Phasenvariationen unabhängig sind, mit Ausnahme des Bereichs zwischen den entsprechenden Sensoren. Als ein Ergebnis bezieht sich diese Differenzinformation direkt auf die Umgebungsbedingungen, die den speziellen Sensor beeinflußt haben.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das oben beschriebene System modifiziert, indem keine faseroptische Verzögerungsleitung vorgesehen wird. Anstelle dessen wird ein Mach-Zehnder-Interferometer auf dem faseroptischen Rückleitungsbus ausgebildet, und Signale von der Lichtquelle werden auf den faseroptischen Eingangsbus gepulst. Die Pulse sind zeitlich so angeordnet, daß die Rückleitungspulse von den Sensoren nicht miteinander oder mit Pulsen von dem nächsten Abtastmuster der Anordnung überlappen. Die Arme des Mach-Zehnder-Interferometers haben unterschiedliche Längen, wobei die Differenz in den Armlängen gleich der Differenz in den Bahnlängen zwischen jeweils zwei benachbarten Sensoren ist. Folglich bewirkt das Interferometer ein Vermischen der Ausgangssignale benachbarter Sensoren, und wieder wird der Gradient des Umweltparameters gemessen. Ein Frequenzverschieber kann in einem Arm des Mach-Zehnder-Interferometers angeordnet sein, um ein überlagertes Ausgangssignal (heterodyned output) zu erzeugen.
Noch ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist eine Modifikation des anfänglich beschriebenen parallelen Systems auf, wobei die optische Faserverzögerungsleitung eine variable Verzögerungsfähigkeit hat und wobei die Verzögerungsleitung an ihrem Ende optisch an den Rückleitungsbus von dem symmetrischen Sensornetzwerk gekoppelt ist. Das von der gekoppelten Verzögerungsleitung und dem Rückleitungsbus erzeugte Ausgangssignal erzeugt ein Phasendifferenzsignal, das zu jeder vorgegebenen Zeit Umgebungsbedingungen repräsentiert, die einen Sensor beeinflussen, der Teil einer optischen Bahn ist, deren Länge im wesentlichen zu der Bahnlänge des Referenzsignals durch die Verzögerungsleitung zu der Zeit paßt. Durch eine schnelle Veränderung der optischen Bahnlänge der variablen Verzögerungsleitung kann das System schnell gescannt werden, so daß jeder Sensor überwacht werden kann, ohne daß der Eingang von der Lichtquelle gepulst wird. Wahlweise kann ein Frequenzverschieber in der variablen Verzögerungsleitung angeordnet werden, um ein überlagertes Ausgangssignal (heterodyned output) zu erzeugen.
Ein Vorwärts-Ausführungsbeispiel (feed forward embodiment) des unmittelbar oben beschriebenen Systems kann durch die Verwendung einer doppelbrechenden Faser für die optische Eingangsfaser geschaffen werden, wobei die zwei Polarisationsachsen der Faser als die Eingangs- und Ausgangsbusse wirken. Abgriffsstellen (taps) sind entlang der Faser angeordnet, um das Licht zwischen diesen zwei Polarisationsachsen zu koppeln. Da die zwei Polarisationsachsen dieser Anordnung sehr ähnliche Gruppengeschwindigkeiten haben, muß die variable Verzögerungsleitung nicht über einen großen Bereich scannen, wobei dennoch Laser mit einer Kohärenzlänge existieren, die kurz genug ist, daß Abgriffsstellen ausreichend dicht angeordnet werden können, ohne einander merklich zu beeinflussen.
Noch ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel enthält die Verwendung eines parallelen Systems, wie es anfänglich beschrieben wurde, wobei der faseroptische Rückleitungsbus an seinem Ende direkt an das Ende der Faserverzögerungsleitung angeschlossen ist und wobei die Lichtquelle gepulste optische Signale erzeugt, die durch einen Strahlteiler oder einen richtungsabhängigen Koppler geleitet und dadurch zwischen der optischen Eingangsfaser und der Faserverzögerungsleitung aufgeteilt werden. Der Lichtimpuls, der in die Gruppierung von der optischen Eingangsfaser eintritt, tastet die Umgebung durch die Sensoren früher ab als der Impuls, der durch die Faserverzögerungsleitung übertragen wird. Die Impulse, die durch einen ausgewählten Sensor auf den Eingangs- und Ausgangsbussen plaziert werden, kehren zurück und interferieren an dem Strahlteiler oder dem Koppler. Da diese Impulse den Sensor zu unterschiedlichen Zeiten durchlaufen haben, enthält das Interferenzsignal, das sie erzeugen, eine Darstellung der Veränderung in dem Sensor über die Zeit. Das von den interferierenden Impulsen erzeugte Signal wird von dem Strahlteiler oder dem richtungsabhängigen Koppler an einen Detektor übertragen. Wahlweise kann die andere optische Faser einen Arm eines Mach-Zehnder-Interferometers aufweisen, das eine Faserverzögerungsleitung in seinem zweiten Arm enthält, sowie einen Frequenzverschieber zur Überlagerung des Ausgangs und zur Aufnahme des Gradienten der Veränderungen der Umgebung, wenn diese jeden Sensor mit der Zeit beeinflussen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine "Serien"- Konfiguration der Anordnung auf. In dieser Konfiguration wird Licht durch eine Einzelwellentypfaser und in eine Serie von Mach-Zehnder-Interferometern abgegeben, die Arme unterschiedlicher Längen haben. Jedes Interferometer weist einen der Sensoren in der Anordnung auf. Die Sensoren sind konstruiert, indem richtungsabhängige Koppler verwendet werden, um das Licht aufzuteilen, wobei die Kopplungskonstante jedes Kopplers durch die Anzahl von Sensoren in dem System vorgeschrieben ist. Die optischen Bahndifferenzen durch die verschiedenen Sensoren werden so gewählt, daß sie viel länger sind als die Kohärenzlänge der Quelle, so daß eine Veränderung in der relativen Phase zwischen den Armen des Interferometers nicht in eine erfaßbare Intensitätsmodulation an den Sensorausgängen umgewandelt wird. Die auf das Licht in jedem Sensor eingeprägte Information ist die Differenz in der Phase zwischen dem Licht, das sich in den zwei Armen des Interferometers ausbreitet.
Das Licht von den Sensoren wird über einen gemeinsamen faseroptischen Bus an eine Anzahl von empfangenden Mach-Zehnder-Interferometern übertragen, die jeweils zwei Arme haben, deren Längen sich um einen Betrag unterscheiden, der im wesentlichen zu der Armlängendifferenz eines entsprechenden Sensors paßt. Somit hat jeder Sensor vorzugsweise ein Empfangsinterferometer mit einer entsprechenden Armlängendifferenz. Als ein Ergebnis wird das Phasenmodulationssignal von dem Sensor durch die Empfangsinterferometer in eine Amplitudenmodulation umgewandelt, so daß Fotodetektoren an dem Ausgang jedes Empfangsinterferometers die der Phasenmodulation seines zugehörigen Sensors entsprechende Amplitudenmodulation überwachen und ein Signal erzeugen können, das die Umgebungsbedingungen repräsentiert, die den Sensor beeinflußt haben. Diese Konfiguration ist leitungsunempfindlich, da die Signale auf einer gemeinsamen Faser geleitet werden, außer während sie in dem Sensor oder dem Empfangsinterferometer sind. Somit wird eine Umgebungsabschirmung nur an dem Empfangsinterferometer benötigt, um Signale zu erhalten, die Veränderungen in dem ausgewählten Sensor direkt wiedergeben, wenn geeignete Techniken verwendet werden, um ein Signal-Fading zu vermeiden.
Ein bevorzugteres Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Hybrid-Anordnung auf, in der das Lichtsignal von der Laserdiode durch eine Eingangsfaser zu einer Serie optischer Sensoren geleitet wird, die in einer leiterförmigen Anordnung konfiguriert sind, wobei jeder Sensor ein Mach-Zehnder-Interferometer aufweist. Der Ausgang von jedem Sensor ist mit einem Rückleitungsbus in der anfangs mit bezug auf die parallele Anordnung beschriebenen Weise kombiniert. Der Rückleitungsbus ist jedoch optisch gekoppelt, um die kombinierten Signale von den Sensoren an mehrere Mach-Zehnder-Empfangsinterferometer zu übertragen, die in einer Anordnung wie derjenigen organisiert sind, die oben für die Serienkonfiguration beschrieben wurde. Dieses System weist eine Leitungsunempfindlichkeit ähnlich dem Seriensystem auf.
Für jedes der oben beschriebenen "Serien"-Ausführungsbeispiele und die Hybridanordnung können funktionell verwandte Ausführungsbeispiele der Erfindung geschaffen werden, indem die zwei optischen Fasern, die jedes Mach-Zehnder-Interferometer definieren, durch eine in hohem Maße doppelbrechende Einzelwellentypfaser oder durch eine Zweifachwellentypfaser ersetzt werden, die das Interferometer aufweist. In der Einzelwellentypfaser werden die zwei optischen Bahnen jedes Interferometers durch die zwei orthogonalen Polarisationsmoden definiert, die darin vorhanden sind. Kopplungseinrichtungen und/oder Polarisatoren werden auf den Fasern verwendet, die die Sensoren miteinander oder mit den Empfängern verbinden, um die optischen Signale, die sich auf den orthogonalen Bahnen ausbreiten, auf eine einzige Bahn in diesen Abschnitten des Systems zu vereinigen. In dem Fall der Zweifachwellentypfaser werden die zwei räumlich orthogonalen Moden oder Wellentypen (fundamentale Mode und Mode zweiter Ordnung) verwendet, um die zwei Lichtbahnen jedes Interferometers festzulegen. Durch die Verwendung der geeigneten Kopplungsanordnungen zwischen der Zweifachmodenfaser und angeschlossenen Elementen, und unter Verwendung von anderen Komponenten, wie beispielsweise Wellentyp-Abstreifern (mode strippers), bildet die Zweifachmodenfaserkonfiguration die einzige Signalübertragungsbahn, die zwischen den Sensoren und den Empfängern notwendig ist. Durch die Verwendung der orthogonalen Moden dieser doppelbrechenden oder Zweifachmoden-Fasern wird die optische Bahndifferenz ein gegebener kleiner Bruchteil der tatsächlichen Faserlänge, wobei der Bruchteil das Verhältnis der Wellenlänge zu der Schwebungslänge zwischen den zwei orthogonalen Moden ist. Als ein Ergebnis ist die Toleranz in der Anpassung der optischen Bahnlängen der Fühl- und der entsprechenden Empfangsinterferometer viel weniger eng als für die Ausführungsbeispiele, die getrennte Fasern verwenden, um die Mach-Zehnder-Interferometer zu bilden.
Die Erfindung schafft außerdem eine neue Vorrichtung und eine Technik, die in verschiedenen Konfigurationen der Erfindung verwendet werden können, um ein überlagerungsartiges Ausgangssignal ohne die Verwendung eines optischen Frequenzverschiebers zu bilden. Bei einer Überlagerung (heterodyning) wird die Frequenz des Signals verschoben, so daß die in dem Signal enthaltene Information auf Seitenband-Frequenzen der resultierenden Nicht- Null-Mittelfrequenz getragen wird. Eine Überlagerung ist wünschenswert, da sie das Problem des Signal-Fadings aufgrund von Umgebungseinflüssen auf die Faser mit niedriger Frequenz überwindet. Zusätzlich kann das überlagerte Signal durch die Verwendung herkömmlicher elektronischer Einrichtungen, wie beispielsweise Spektralanalysatoren, FM- Demodulatoren oder Phasendetektoren, leicht ausgewertet werden. Die Erfindung vermeidet die Verwendung eines Frequenzverschiebers für die Überlagerung, indem ein Phasenmodulator in dem Empfängerabschnitt des Sensors vorgesehen wird, zusammen mit einer Signalverarbeitungstechnik zur Umwandlung des resultierenden phasenmodulierten Signals in ein elektronisches Signal mit verschobener Frequenz.
Der Phasenmodulator wird bei einer Frequenz betrieben, die viel höher liegt als die des Signals in dem Sensor. Eine Schaltkomponente, wie beispielsweise ein Gatter, wird verwendet, um das elektronische Signal von dem optischen Detektor in einer Weise zu modulieren, die synchronisiert zu dem Betrieb des Phasenmodulators ist. Somit multipliziert das Ausgangssignal von dem Empfänger das erfaßte Signal effektiv mit einer Rechteckwelle bei der höheren Modulationsfrequenz, wobei die Oberschwingungen dieser Modulationsfrequenz in das Signal gemischt werden. Da ungerade und gerade Oberschwingungen nie gleichzeitig schwinden, ist es möglich, ein Signalschwinden (signal fading) zu beseitigen, indem die zwei Oberschwingungen wie beschrieben gemischt werden. Wenn die Modulationsamplitude des Phasenmodulators und die Synchronisation des Gatters in geeigneter Weise eingestellt sind, enthält das Ausgangssignal ein überlagerungsartiges Signal um eines der Modulationsfrequenz-Seitenbänder herum.
Die Sensoren in verteilter Anordnung der Erfindung weisen ein System und eine Technik zum Multiplexen entfernter Sensoren auf, die exakt ist und die optisch zeitunabhängig ist, so daß jeder Sensor im wesentlichen kontinuierlich überwacht werden kann, wodurch eine Erfassung von schnell veränderlichen Umgebungsbedingungen gestattet wird, die die Sensoren beeinflussen. Die Erfindung gestattet die Verwendung optischer Quellen, die eine kurze Kohärenzlänge haben, wodurch ein weiter Bereich kommerziell erhältlicher Laser enthalten ist, die billiger und kompakter als solche sind, die längere Kohärenzlängen haben. Weiterhin erfüllt die Erfindung ihren Zweck vorzugsweise durch eine nur faseroptische Konfiguration, wobei nicht notwendige elektronische Komponenten beseitigt werden, die die Systemleistung durch verringerte Zuverlässigkeit und erhöhte Komplexität verringern. Das System kann so konfiguriert werden, daß es leitungsunempfindlich wird, wobei die Verwendung langer Leitungen zwischen Sensoren ohne die Notwendigkeit einer Umgebungsabschirmung dieser Leitungen gestattet wird. Die Erfindung enthält außerdem eine Technik zur effektiven Überlagerung (heterodyning) des Ausgangssignals, die die Notwendigkeit von Frequenzverschiebern in jedem Empfangsinterferometer beseitigt, wodurch weiterhin die Kosten verringert und die Genauigkeit des Erfassungssystems erhöht werden.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Fernerfassung von Umgebungseinwirkungen auf ein Paar gegenüber der Umgebung empfindlicher Sensoren in einem verteilten Sensorsystem offenbart. Das Verfahren der Erfindung weist folgende Schritte auf: Fortpflanzung von Licht von einer Lichtquelle durch erste und zweite Lichtbahnen, die mindestens zum Teil von einer ersten Vielzahl optischer Wellenleiter festgelegt werden, wobei die ersten und zweiten Lichtbahnen von einer Umgebungseinwirkung an ersten und zweiten Stellen beeinflußt werden; Fortpflanzung von Licht durch dritte und vierte Lichtbahnen, die mindestens zum Teil von mindestens einem zweiten optischen Wellenleiter festgelegt werden, wobei die dritten und vierten Lichtbahnen in der Länge im wesentlichen gleich den ersten und zweiten Lichtbahnen sind und nicht den gleichen Umgebungseinwirkungen wie die ersten und zweiten Lichtbahnen ausgesetzt sind; Fortpflanzung von Licht von der ersten Vielzahl optischer Wellenleiterabschnitte zu einer optischen Verbindung mit dem zweiten Wellenleiterabschnitt nur durch einen dritten optischen Wellenleiterabschnitt; und Vereinigung von Licht von den ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen derart, daß nur Licht von den Lichtbahnen kohärent gemultiplext wird, die zu jeder Zeit in der Länge im wesentlichen gleich einer bestimmten der ersten und zweiten Lichtbahnen sind.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Identifizierung von Bedingungen offenbart, die Sensoren in einem verteilten Sensorsystem beeinflussen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Übertragung eines Lichtsignals in erste und zweite optische Wellenleiterabschnitte, die mindestens erste und zweite Übertragungsabschnitte und mindestens erste und zweite Sensorabschnitte haben, wobei die Sensorabschnitte gegenüber Umgebungseinwirkungen empfindlich sind; Übertragung eines Lichtsignals in einen dritten optischen Wellenleiterabschnitt, der mechanisch unabhängig von den Sensorabschnitten ist und der erste und zweite Empfängerlichtbahnen festlegt, die in der Länge im wesentlichen gleich den Lichtbahnen in den ersten und zweiten Wellenleiterabschnitten sind, wobei der dritte Wellenleiterabschnitt nicht den gleichen Umgebungseinwirkungen wie die ersten und zweiten Sensorabschnitte ausgesetzt ist; und optisches Koppeln von Licht von den ersten und den zweiten optischen Wellenleiterabschnitten und von Licht von den ersten und zweiten Empfängerlichtbahnen, wodurch ein optisches Ausgangssignal erzeugt wird, das Bedingungen repräsentiert, die eine Veränderung der Lichtübertragungseigenschaften in den Sensorabschnitten bewirken, wobei das Ausgangssignal für die ersten und zweiten Sensorabschnitte zu unterschiedlichen Zeiten kohärent ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines kohärenten verteilten faseroptischen Sensorsystems in einer parallelen Anordnung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines faseroptischen Richtungskopplers zur Verwendung in dem verteilten Sensorsystem der Erfindung.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das eine gepulste optische Quelle sowie ein Mach-Zehnder-Interferometer aufweist, das an den Rückleitungsbus von der parallelen, symmetrischen Sensoranordnung gekoppelt ist.
Fig. 4 weist ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung auf, wobei eine variable Verzögerungsleitung an den Rückleitungsbus von der Sensoranordnung angeschlossen ist.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung noch eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das eine Vorwärts-Anordnung (feed-forward arrangement) aufweist, die eine doppelbrechende Faser für die Sensorgruppierung verwendet, wobei die zwei Signalbahnen in dem parallelen Arm die zwei Polarisationsachsen der doppelbrechenden Faser aufweisen.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, die eine parallele Anordnung darstellt, die die Zeitableitung des Umgebungsparameters mißt.
Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm noch eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das das Betriebsprinzip einer Serienkonfiguration der Sensorgruppierung darstellt.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das eine Modifikation der Serienkonfiguration aus Fig. 7 aufweist, wobei die Fasern von beiden Öffnungen jedes Sensors fortgesetzt werden, um den nächsten Sensor zu bilden.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das eine Hybrid- Konfiguration aufweist, die eine Kombination der Parallel- und der Serienkonfigurationen des Systems aufweist.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung noch eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das funktionell dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 7 entspricht, jedoch Sensoren und Empfänger aufweist, die eine doppelbrechende optische Faser oder eine optische Zweifachmodenfaser haben.
Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm, das die elektrischen Feldmuster der Moden erster und zweiter Ordnung, LP&sub0;&sub1; und LP&sub1;&sub1;, einer nicht doppelbrechenden Faser darstellt.
Fig. 12 ist eine schematische Darstellung eines anderen bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, das funktionell dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 8 entspricht, jedoch Sensoren und Empfänger aufweist, die eine doppelbrechende oder Zweifachmodenfaser aufweisen.
Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels des kohärenten verteilten Sensorsystems der Erfindung, wobei ein System dargestellt ist, das funktionell dem System aus Fig. 9 äquivalent ist, wobei die Sensoren und Empfänger jedoch eine doppelbrechende oder Zweifachmodenfaser aufweisen.
Fig. 14 ist eine schematische Darstellung einer Einzelmodenfaser, die aneinanderstoßend an eine Zweifachmodenfaser gekoppelt ist, wobei die Achsen versetzt sind, um Licht in einer gemeinsamen Polarisationsmode zu koppeln und um ein Koppeln optischer Signale zu vermeiden, die sich nicht in der ausgewählten Polarisationsmode befinden.
Fig. 15 ist eine schematische Darstellung einer vereinfachten Version der Serienkonfiguration des kohärenten verteilten Sensors, die einen einzigen Sensor und einen einzigen Empfänger aufweist.
Fig. 16 ist eine schematische Darstellung einer vereinfachten Version der Serienkonfiguration des kohärenten verteilten Sensors, wobei eine Technik zur Frequenzverschiebung des Ausgangssignals von verteilten Sensoren dargestellt ist, die Phasenmodulatoren und Gatter verwendet.
Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer faseroptischen Polarisationssteuereinrichtung zur Verwendung in dem verteilten Sensor der Erfindung.
Fig. 18 ist eine gesprengte perspektivische Ansicht einer Einrichtung, die eine diskret variable Verzögerungsleitung mit einer kontinuierlich variablen Verzögerungsleitung kombiniert.
Fig. 19 zeigt eine Querschnittsansicht eines kontinuierlich variablen faseroptischen Kopplers.
Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht einer Spannvorrichtung, die zur Einstellung der Bahnlänge der variablen Verzögerungsleitung verwendet wird.
Fig. 21 zeigt eine Querschnittsansicht eines kontinuierlich variablen faseroptischen Kopplers mit einem flachen Substrat.
Fig. 22 und Fig. 23 zeigen den Koppler aus Fig. 21 in einer maximalen bzw. einer minimalen verzögerten Stellung.
Fig. 24 und Fig. 25 zeigen Kombinationen diskret variabler Verzögerungseinrichtungen mit kontinuierlich variablen Verzögerungseinrichtungen, um eine kontinuierlich variable Verzögerung über relativ lange Verzögerungsperioden zu erzeugen.
Fig. 26 ist eine gesprengte perspektivische Ansicht eines modalen Kopplers zur Verwendung in der Erfindung.
Fig. 27 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 27-27 aus Fig. 26, die die Form der Rippen des modalen Kopplers zeigt.
Fig. 28 zeigt ein Paar Rippen, die gegen eine stark doppelbrechende Faser gedrückt sind, um belastete und unbelastete Bereiche zu bilden.
Fig. 29 zeigt die Auswirkung auf die Polarisationsachsen einer doppelbrechenden Faser, wenn eine Belastung auf die Faser einwirkt.
Fig. 30 ist eine schematische Darstellung, die ein Paar Rippen zeigt, die gegen eine nicht-doppelbrechende optische Faser gedrückt sind, um die Faser zu deformieren und abrupte Veränderungen in der Fasergeometrie an dem Anfang und dem Ende jeder Rippe zu bewirken.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Die Erfindung wird am besten unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich, in denen gleiche Teile durchgehend mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.

Das parallele System

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer "Parallelkonfiguration", die ein Sensorgruppierungssystem zur Überwachung von Umweltbedingungen aufweist, die mehrere verteilte Sensoren beeinflussen. Eine Lichtquelle 100, wie beispielsweise eine Laserdiode, die vorzugsweise eine kurze Kohärenzlänge hat, wird in diesem Ausführungsbeispiel verwendet.
Die Kohärenzlänge ist die Länge, über die Signalinterferenzeffekte in der axialen Richtung erhalten werden können. Der Fachmann erkennt, daß die Kohärenzlänge (Lc) für mindestens einige Arten von Laserquellen durch folgende Beziehung definiert werden kann:
vg/2πΔf = Lc (1)
wobei: 2Δf = optische Bandbreite bei 1/2 maximale Leistung; und
vg = Gruppengeschwindigkeit von Licht in einer optischen Faser.
Aus Gleichung (1) ergibt sich somit, daß die Kohärenzlänge steigt, wenn sich die spektrale Reinheit des Lasers verbessert. Der Fachmann in dieser Technologie erkennt außerdem, daß im Vergleich zu Systemen des Standes der Technik, die Quellen mit größerer Kohärenzlänge benötigen, ein Sensorsystem, das Signalquellen mit kurzer Kohärenzlänge verwenden kann, ein vielseitiges System schafft, in dem irgendeine aus einer großen Anzahl von Laserlichtquellen verwendet werden kann, einschließlich relativ billiger und kompakter Diodenlaser.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Lichtquelle 100 einen Aluminium- Gallium-Arsenid-(AlGaAs)-Laser auf, der Licht erzeugt, das eine Wellenlänge in der Größenordnung von etwa 790 nm hat. Als spezielles Beispiel kann die Lichtquelle 100 eine Laserdiode des Modells NDL 3000 aufweisen, die kommerziell erhältlich ist von NEC Electronics USA, Inc., 252 Humbolt Court, Sunnyvale, Kalifornien, 94086.
Die Lichtquelle 100 ist optisch an eine optische Faser gekoppelt, die einen faseroptischen Eingangsbus 102 aufweist. Auf dem Eingangsbus 102 ist ein erster Richtungskoppler 104 angeordnet, der einen Teil der optischen Leistung in eine zweite optische Faser koppelt, die eine optische Verzögerungsleitung 106 aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Richtungskoppler 104 von dem gleichen Typ wie andere Richtungskoppler, die in dem Sensorsystem verwendet werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Richtungskopplers, der in dem System verwendet werden kann, wird hier im folgenden offenbart, und er ist detailliert beschrieben in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 300.955, eingereicht am 10. September 1981, mit dem Titel "Fiber-Optic Directional Coupler", die eine Continuation-In-Part der US-Patentanmeldung Serial No. 139.511 ist, eingereicht am 11. April 1980, mit dem Titel "Fiber-Optic Directional Coupler", wobei beide Patentanmeldungen auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen worden sind.
Weiterhin sind mehrere Richtungskoppler 108a, 108b . . . 108n an ausgewählten Stellen entlang des faseroptischen Eingangsbus 102 angeordnet. Die Grundlage zur Auswahl der Stellen der Koppler 108 auf dem Eingangsbus 102 wird im folgenden ausführlicher erläutert.
Mehrere optische Fasern 110a, 110b, . . . 110n haben jeweils ein erstes Ende, das sich durch Öffnungen eines entsprechenden optischen Kopplers 108a, 108b, . . . 108n erstreckt. Die optischen Fasern 110 weisen faseroptische Sensoren auf, die in der Umgebung so angeordnet sind, daß sie gegenüber Veränderungen in den Umgebungsbedingungen, die die Sensoren 110 umgeben, empfindlich sind und von diesen beeinflußt werden. Natürlich können in diesem sowie in allen anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung Einrichtungen, wie beispielsweise Wandler, an die optischen Fasern in dem System angeschlossen sein und als Sensoren 110 verwendet werden, um auf Umgebungseinwirkungen zu reagieren, indem der Lichtfluß durch diese optischen Fasern beeinflußt wird. Beispielsweise kann ein akustischer Wandler an eine optische Faser 110 angeschlossen werden, um die akustische Empfindlichkeit dieser Faser zu erhöhen.
Das zweite Ende eines jeden der Sensoren 110 tritt durch einen von mehreren Richtungskopplern 112a, 112b, . . . 112n hindurch. Die Koppler 112 sind an ausgewählten Stellen auf einem faseroptischen Rückleitungsbus 114 positioniert, wobei sie die Sensoren 110 in optische Kopplungsbeziehung zu dem Rückleitungsbus 114 bringen. Somit ergibt sich, daß die oben beschriebene Beziehung ein leiterartiges oder symmetrisches Netzwerk für den Sensorarm des Sensorsystems definiert.
Weiterhin sind auf dem Rückleitungsbus 114, aber mit Abstand von dem leiterartigen Sensornetzwerk, mehrere Richtungskoppler 116a, 116b, . . . 116n angeordnet. Jeder der Koppler 116 ist außerdem an ausgewählten Stellen entlang des Rückleitungsbus 114 positioniert, wie es ausführlicher im folgenden beschrieben wird.
Innerhalb jedes Richtungskopplers 116 ist ein erstes Ende eines von mehreren optischen Faserabschnitten 118a, 118b, . . . 118n befestigt, so daß es optisch an den Rückleitungsbus 114 gekoppelt ist. An dem zweiten Ende jedes der optischen Faserabschnitte 118 ist ein Richtungskoppler 120a, 120b, . . . 120n befestigt. Innerhalb jedes Richtungskopplers 120 ist außerdem das Ende eines von mehreren zusätzlichen optischen Faserabschnitten 122a, 122b, . . . 122n befestigt. Die optischen Faserabschnitte 122 sind an ihren anderen Enden jeweils an Richtungskopplern 124a, 124b, . . . 124n befestigt, die jeweils an ausgewählten Stellen entlang der Verzögerungsleitung 106 positioniert sind, um optische Signale von der Verzögerungsleitung 106 in die Faserabschnitte 122 zu koppeln.
An das zweite Ende jedes faseroptischen Abschnitts 118 oder 122 ist ein Detektor 126a, 126b, . . . 126n optisch angeschlossen. Die Detektoren 126 wirken derart, daß sie das optische Signal von den Fasern 118 oder 122 empfangen, nachdem die Signale in den Fasern 118 und 122 in den Kopplern 120 gekoppelt worden sind. Insbesondere kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Detektors zur Verwendung in dem System der Erfindung einen Detektor des Modells HAD 1100 aufweisen, der kommerziell erhältlich ist von E.G. & G. Corp., 35 Congress Street, Salem, Massachusetts, 01970.
Die verschiedenen Komponenten des Systems aus Fig. 1 sind in dem System als eine Funktion der Kohärenzlänge der Lichtquelle 100 angeordnet. Insbesondere muß die Differenz zwischen den Längen der optischen Bahnen durch die Sensoren, die zwischen den Kopplern 108a und 112a gemessen wird, größer sein als eine Kohärenzlänge der Lichtquelle 100, so daß keine Intensitätsmodulation auftritt, wenn Licht, das von der Lichtquelle 100 durch jeden der Sensoren 110 übertragen wird, auf dem Faserrückleitungsbus 114 gesammelt wird. Somit muß die optische Bahnlänge des Sensors 110b, die von dem Koppler 108a zu dem Koppler 108b und über die Faser 110b zu dem Koppler 112b zu dem Koppler 112a festgelegt ist, mindestens um eine Kohärenzlänge (Lc) der Lichtquelle 100 größer sein als die optische Bahnlänge des Sensors 110a, die von dem Koppler 108a über die Faser 110a zu dem Koppler 112a festgelegt ist.
Die Längen jeder optischen Bahn, die durch die Verzögerungsleitung 106 und die optischen Faserabschnitte 122 festgelegt sind, bezeichnet mit (L&sub1;, L&sub2;, . . . Ln), sollten im wesentlichen zu den entsprechenden optischen Sensorbahnlängen (l&sub1;, l&sub2;, . . . ln) passen. Wenn die Fehlanpassung zwischen der Bahnlänge eines gegebenen Sensors (ln) und der entsprechenden Rückleitungsbahnlänge (Ln) steigt, wird die Fähigkeit des erfaßten Signals, mit dem Referenzsignal zu interferieren und ein genaues Phasendifferenzsignal zu erzeugen, ungefähr exponentiell verringert.
Im Betrieb wird ein optisches Signal von der Lichtquelle 100 an den optischen Eingangsbus 102 abgegeben. Das optische Signal in dem Bus 102 wird durch den Richtungskoppler 104 teilweise in die faseroptische Verzögerungsleitung 106 eingekoppelt, wo es als ein Referenzsignal dient. Teile des optischen Signals, die sich weiter durch den Eingangsbus 102 ausbreiten, werden über die Koppler 108 an die Sensoren 110 gekoppelt, wo eine Umgebungsinformation auf das Licht in der Form von Veränderungen der optischen Phase aufgeprägt wird, die durch Veränderungen in den Sensoren 110 als ein Ergebnis solcher äußeren Umwelteinflüsse bewirkt werden.
Die optischen Signale von jedem Sensor 110 werden über Richtungskoppler 112 auf den faseroptischen Rückleitungsbus 114 gekoppelt. Zu beachten ist, daß eine Intensitätsmodulation bei einer Sammlung der optischen Signale auf dem faseroptischen Rückleitungsbus 114 nicht auftritt, wenn die Differenz in den optischen Bahnlängen der Sensoren größer ist als Lc, wodurch die Signale nicht miteinander interferieren.
Die sich entlang des Rückleitungsbus 114 ausbreitenden optischen Signale werden teilweise an jedem der Richtungskoppler 116 auf die optischen Faserabschnitte 118 gekoppelt, wo die Signale in den Kopplern 120 Referenzsignalen gegenübergestellt werden, die von der Verzögerungsleitung 106 über die Richtungskoppler 124 auf die optischen Faserabschnitte 122 gekoppelt worden sind, die in den Kopplern 120 befestigt sind. Da die Sensorbahnlänge ln im wesentlichen an die entsprechende Referenzbahnlänge Ln angepaßt ist, und unter der Annahme, daß es keinen Einfluß auf die Signale aufgrund von Verlusten in den Kopplern und anderen Elementen des Systems gibt, sollte die relative Phase der in den Kopplern 120 verglichenen Signale nicht veränderlich sein, wenn keine Umgebungseinflüsse eine der optischen Bahnen beeinflussen. Vorzugsweise ist die Verzögerungsleitung 106 gegen Umgebungseinflüsse abgeschirmt, während mindestens der Sensorabschnitt 110 der Sensorbahn Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. Somit geben die Phasendifferenzsignale, die von den Detektoren 126 übertragen werden, die Umweltbedingungen wieder, die die Phase des durch die zugehörige Sensorbahn übertragenen optischen Signals beeinflußt haben.
Ohne Abschirmung des Eingangsbus 102 und des Rückleitungsbus 114 erhält jeder Detektor 126 nicht nur die Umgebungsinformation von jedem Sensor 110, sondern auch die Information von dem Eingangsbus 102 und dem Ausgangsbus 114. Eine Möglichkeit, eine Umgebungsinformation zu erhalten, die sich auf bestimmte Sensoren bezieht, ohne den Eingangsbus 102 und den Ausgangsbus 114 abzuschirmen, besteht darin, Signale elektronisch zu subtrahieren, die von benachbarten Detektoren, wie beispielsweise 126a und 126b, empfangen werden. Das von einer derartigen Subtraktion erzeugte Differenzsignal ist unabhängig von Phasenveränderungen, die auf den Eingangsbus 102 und den Ausgangsbus 114 induziert werden, da solche Phasenveränderungen in beiden von den benachbarten Detektoren empfangenen Signalen vorhanden gewesen wären. Die einzige Information, die beiden Signalen nicht gemeinsam ist, ist die Information, die auf den Signalen plaziert wird, während sie sich auf getrennten Bahnen durch die verschiedenen Sensoren 110a und 110b und dem Abschnitt der Eingangs- und Ausgangsbusse 102 und 114 zwischen den Sensoren 110a und 110b ausbreiten. Somit gibt das durch eine derartige Subtraktion erzeugte Signal nur wieder, wie sich solche Phasenveränderungen, die in dem Bereich zwischen den benachbarten Sensoren 110a und 110b existieren, über diesen Bereich verändern. In Reaktion auf irgendeinen Umgebungseffekt, der benachbarte Sensoren identisch beeinflußt, erzeugt der Subtraktionsvorgang somit keine Veränderung in dem Ausgangssignal. Unter Berücksichtigung des oben Gesagten ergibt sich, daß das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Einrichtung schafft, durch die die Umgebungseinflüsse auf jeden Sensor 110a, 110b, . . . 110n individuell und kontinuierlich überwacht werden können.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sowie in den anderen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen kann wahlweise ein Frequenzverschieber in dem System angeordnet werden, beispielsweise auf der Verzögerungsleitung 106 aus Fig. 1 zwischen den Kopplern 104 und 124a. Der Frequenzverschieber wird verwendet, um die Frequenz des optischen Signals auf der Verzögerungsleitung 106 zu verschieben und damit das von den Detektoren 126 erfaßte entsprechende optische Signal zu "überlagern" (heterodyne). Durch die Überlagerung wird das phasenmodulierte optische Signal, das von den Sensorbahnen ln zurückkehrt, auf der Ausgangsleitung geführt, wobei es in die Detektoren 126 als eine Phasenmodulation mit vergleichsweise niedriger Frequenz eines amplitudenmodulierten optischen Signals mit höherer Frequenz eintritt. Die Überlagerung schafft ein Verfahren, durch das vermieden werden kann, daß Umgebungseffekte mit niedrigerer Frequenz die Empfindlichkeit des Systems gegenüber kleinen Signalen in dem gewünschten Frequenzbereich verringern. Somit können diese Umgebungseffekte in dem gewünschten Frequenzbereich leichter identifiziert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Frequenzverschiebers, der für diesen Zweck verwendet werden kann, ist ein Bragg-Zellen-Modulator, der in der Technologie bekannt ist und von dem verschiedene Typen kommerziell erhältlich sind. Solche Frequenzverschieber bestehen aus Bulk-Optikbauteilen (bulk optics), die in das System durch eine Trennung der Faser eingesetzt werden. Durch Linsen wird Licht in solche Bulk-Optik-Einrichtungen eingekoppelt und von diesen ausgekoppelt. Es ist offensichtlich, daß die Verwendung von Bulk-Optik-Bauteilen, wie Bragg-Zellen für Frequenzverschieber, den Systemverlust erhöht und den gesamten Wirkungsgrad sowie die Qualität der Leistung verringert. Eine andere Technik zur Erzielung einer Überlagerung in dem kohärent verteilten Sensor der Erfindung, ohne daß Frequenzverschieber notwendig sind und ohne daß die Verluste erfahren werden, die mit der Verwendung von Bulk-Optik-Bauteilen verbunden sind, wird detailliert im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 16 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf die Kopplung von Lichtsignalen in der Erfindung wird eine detailliertere Beschreibung eines bevorzugten faseroptischen richtungsabhängigen Kopplers, der beispielsweise die Koppler 104, 108 und 112 bilden kann, unter Bezugnahme auf Fig. 2 gegeben. Insbesondere weist dieser Koppler zwei optische Faserstränge aus einem faseroptischen Einzelwellentypmaterial auf, die in Fig. 2 mit 150a und 150b bezeichnet sind, wobei ein Teil der Ummantelung von einer ihrer Seiten entfernt ist. Die zwei Stränge 150a und 150b sind in entsprechenden gebogenen Schlitzen 152a und 152b angebracht, die in entsprechenden Blöcken 133a und 153b gebildet sind. Die Stränge 150a und 150b sind mit den Teilen der Stränge, an denen die Ummantelung entfernt worden ist, in dicht beabstandeter Beziehung angeordnet, um einen Wechselwirkungsbereich 154 zu bilden, in dem das Licht zwischen den Kernbereichen der Stränge übertragen wird. Die Menge an entferntem Material ist so groß, daß der Kernbereich jedes Strangs 150a und 150b innerhalb des abnehmenden Felds (evanescent field) des anderen liegt. Der Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den Strängen in der Mitte des Kopplers ist typischerweise geringer als etwa zwei bis drei Kerndurchmesser.
Es ist wichtig zu beachten, daß das zwischen den Strängen in dem Wechselwirkungsbereich 154 übertragene Licht richtungsabhängig ist. Das bedeutet, daß im wesentlichen das gesamte auf die Eingangsöffnung A aufgebrachte Licht an die Ausgangsöffnungen B und D ohne eine entgegengesetzt gerichtete Kopplung zu der Öffnung C abgegeben wird. In ähnlicher Weise wird im wesentlichen das gesamte an die Eingangsöffnung C abgegebene Licht an die Ausgangsöffnungen B und D abgegeben. Diese Richtungswirkung ist weiterhin symmetrisch. Somit wird Licht, das entweder an der Eingangsöffnung B oder der Eingangsöffnung D eingespeist wird, an die Ausgangsöffnungen A und C abgegeben. Darüber hinaus wirkt der Koppler bezüglich der Polarisationen im wesentlichen nicht-diskriminatorisch und erhält damit die Polarisation des gekoppelten Lichts aufrecht. Wenn beispielsweise ein Lichtstrahl mit vertikaler Polarisation in die Öffnung A eingespeist wird, bleibt das Licht, das von der Öffnung A an die Öffnung D gekoppelt wird, sowie das Licht, das von der Öffnung A zu der Öffnung B gerade durchgeht, somit vertikal polarisiert.
Aus dem zuvor Gesagten ergibt sich, daß der Koppler als ein Strahlteiler wirken kann, um das eingespeiste Licht auf zwei optische Bahnen aufzuteilen, wie es von dem Koppler 104 aus Fig. 1 bewerkstelligt wird.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Koppler einen Koppelwirkungsgrad, der auf der Grundlage der Positionierung der Fasern zueinander variiert werden kann. Der Begriff "Koppelwirkungsgrad" (coupling efficiency), wie er hier verwendet wird, ist als das Leistungsverhältnis der gekoppelten Leistung zu der gesamten Ausgangsleistung definiert, und er wird in Prozent angegeben. Wenn unter Bezugnahme auf Fig. 2 beispielsweise Licht an der Öffnung A eingespeist wird, ist der Koppelwirkungsgrad gleich dem Verhältnis der Leistung an der Öffnung D zu der Summe der an den Öffnungen B und D abgegebenen Leistung.
In der parallelen Anordnung des verteilten Sensors aus Fig. 1 ist eine sorgfältige Einstellung der relativen Bahnlängen und der Koppelwirkungsgrade der Koppler notwendig. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das System etwas vereinfacht, ist in Fig. 3 dargestellt. In der Konfiguration der Fig. 3 wird ein optisches Signal von einer Lichtquelle 100 in eine faseroptische Eingangsbusleitung 102 eingespeist, wo es über Richtungskoppler 108a bis 108n in Sensoren 110a bis 110n und dann über Koppler 112a bis 112n in den faseroptischen Rückleitungsbus 114 eingekoppelt wird. Die Differenz der optischen Bahnlängen benachbarter Sensoren sollte größer sein als die Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle 100.
In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 ist die optische Quelle gepulst, um einen Eingangsimpuls 201 zu erzeugen, der über den Eingangsbus 102 und die Richtungskoppler 108a bis 108n an die verschiedenen Sensoren 110 verteilt wird. Wenn sich der Impuls 201 entlang der Leitung 102 ausbreitet und an die verschiedenen Sensoren 110 verteilt wird, wird eine Impulsfolge 203 auf dem Rückleitungsbus 114 erzeugt, wobei jeder Impuls in der Folge von einem anderen Sensor 110 kommt. Der Abstand zwischen jedem Impuls in der Folge 203 basiert auf der optischen Bahndifferenz zwischen benachbarten Sensoren 110. Somit entspricht der erste Impuls in der Folge dem Impuls, der durch den Sensor 110a übertragen wurde, da dieser optische Impuls die kürzeste Laufzeit zwischen der Lichtquelle 100 und dem Rückleitungsbus 114 hatte. Desgleichen entspricht der zweite optische Impuls dem von dem Sensor 110b gelieferten Impuls, da dieser Impuls die nächstkürzeste optische Bahnlänge von der Lichtquelle 100 zu dem Rückleitungsbus 114 hatte. Der Abstand der Impulse in diesem Ausführungsbeispiel basiert nicht auf der Kohärenzlänge der optischen Quelle, da dieses gepulste System nicht kohärenzabhängig ist. Daher kann in diesem Ausführungsbeispiel eine optische Quelle mit irgendeiner aus einem großen Bereich von Kohärenzlängen verwendet werden.
Natürlich sollte die Impulslänge der Impulse von der Lichtquelle 100 so eingestellt werden, daß die von den Sensoren zurückkehrenden Impulse nicht miteinander überlappen. Weiterhin sollten die Impulse von der Lichtquelle 100 zeitlich so angeordnet sein, daß die von den Sensoren zurückkehrenden Impulse nicht mit Impulsen von der nächsten Abtastung der Anordnung überlappen. Wenn die Impulslänge von der Lichtquelle 100 beispielsweise zu lang ist, kann die Länge des von dem Sensor 110a auf den Rückleitungsbus 114 übertragenen Impulses so sein, daß das hintere Ende des Impulses nicht auf dem Bus 114 an dem Koppler 112a untergebracht ist, bevor die Führungsflanke des Impulses von dem Sensor 110b durch den Koppler 112a auf dem Rückleitungsbus 114 hindurchtritt. Wenn die zeitliche Anordnung der Impulse von der Lichtquelle 100 zu dicht zusammen ist, kann in gleicher Weise der Ausgangsimpuls von dem Sensor 110a, der dem zweiten Impuls von der Lichtquelle entspricht, auf dem Rückleitungsbus 114 angeordnet werden, bevor der Ausgangsimpuls von dem Sensor 110n, der dem ersten Impuls von der Lichtquelle 100 entspricht, die Koppler 112a auf dem Rückleitungsbus 114 passiert. In jeder dieser Situationen wäre es für einen Detektor, der die Impulse von dem Rückleitungsbus 114 empfängt, im wesentlichen unmöglich, zu bestimmen, von welchem Sensor diese Impulse empfangen worden sind.
Die Folge von Impulsen 203 wird entlang des faseroptischen Rückleitungsbus 114 an den Eingang eines Mach-Zehnder-Interferometers 200 übertragen, das aus einem Paar von Richtungskopplern 202 und 204 besteht, die auf dem faseroptischen Rückleitungsbus 114 so angeordnet sind, daß ein erster Arm 206 zwischen den Kopplern festgelegt wird. Eine zweite Länge aus optischer Faser 208 ist an jedem ihrer Enden in den Kopplern 202 und 204 befestigt, so daß ein zweiter Arm des Interferometers zwischen den Kopplern 202 und 204 festgelegt wird. Die Differenz in den optischen Bahnlängen der Arme 206 und 208 sollte im wesentlichen gleich der Differenz zwischen den optischen Bahnlängen aufeinanderfolgender Sensoren sein.
Wenn die Armlängen wie oben beschrieben gewählt werden, treten die Impulse durch das Interferometer 200 derart hindurch, daß der Teil des ersten Impulses von der Folge 203, der den längeren Arm 210 durchläuft, den Koppler 204 im wesentlichen zu der gleichen Zeit erreicht wie der Teil des zweiten Impulses von der Folge 203, der den kürzeren Arm 206 durchläuft. In gleicher Weise erreicht der Teil des zweiten Impulses, der den Arm 210 durchläuft, den Koppler 204 im wesentlichen zu der gleichen Zeit wie der Teil des dritten Signals von der Folge 203, der den Arm 206 durchläuft. Man erkennt, daß das Interferometer 200 somit eine Vermischung der Ausgangssignale von benachbarten Sensoren in dem optischen Koppler 204 bewirkt.
Das gemischte Signal, das von dem Koppler 204 abgegeben wird, wird an einen Detektor 212 übertragen, der an dem Teil der Faser 208 angeordnet ist, der sich über den Koppler 204 hinaus erstreckt. Der Detektor 212 empfängt das gemischte Signal, das den Gradienten des Umweltparameters repräsentiert, der den betreffenden Sensor beeinflußt. Natürlich ist an den Ausgang der Detektoren jedes Ausführungsbeispiels eine geeignete Meßeinrichtung (nicht dargestellt) einer Art angeschlossen, wie sie im allgemeinen in der Technologie zur Überwachung und Auswertung derartiger optischer Ausgangssignale verwendet wird.
Ein Frequenzverschieber 210 kann wahlweise in einem Arm des Interferometers 200 angeordnet sein, um ein überlagertes (heterodyned) Ausgangssignal zu erzeugen, wie es vorher mit bezug auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben wurde. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Frequenzverschieber 210 in dem Arm 208 des Interferometers 200 angeordnet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des verteilten Sensorsystems ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Lichtquelle 100, wie beispielsweise ein optischer Laser mit kontinuierlichen Wellen, optisch an einen faseroptischen Eingangsbus 102 angeschlossen, auf dem ein Richtungskoppler 104 angebracht ist. Weiterhin sind entlang des Eingangsbus 102 mit Abständen voneinander mehrere optische Koppler 108 angebracht, die den Bus 102 optisch mit mehreren Sensoren 110 verbinden, die optisch wiederum über mehrere optische Koppler 112 an einen faseroptischen Rückleitungsbus 114 gekoppelt sind. Diese Konfiguration entspricht dem symmetrischen Netzwerk des Sensorarms des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Wie bei dem System aus Fig. 1 sollte die Differenz zwischen den optischen Bahnlängen benachbarter Sensoren wiederum größer sein als die Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle 100.
Um in optisch koppelnder Beziehung zu dem Eingangsbus 102 zu stehen, ist an dem Koppler 104 ein Ende einer faseroptischen Verzögerungsleitung 250 befestigt. Von dem Richtungskoppler 104 ist die faseroptische Verzögerungsleitung 250 optisch an eine variable Verzögerungsleitung 254 angeschlossen. Die dargestellte variable Verzögerungsleitung kann aus Bulk-Optik-Einrichtungen (bulk optics) bestehen. Beispielsweise kann eine drehbare Spiegelanordnung verwendet werden, um die optische Bahn zu verändern und damit die Signalverzögerung zu variieren. Für kleine Veränderungen der Länge kann ein Teil der Faser 250 an einem Stück aus PZT befestigt sein, das sich nach Wunsch ausdehnen oder zusammenziehen kann, um die optische Bahnlänge der Faser 250 zu dehnen oder zu verringern.
Vorzugsweise kann eine vollständig faseroptische Verzögerungsleitung in der Erfindung verwendet werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer faseroptischen variablen Verzögerungsleitung, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in der parallel anhängigen Patentanmeldung PCT/US 82/01609 offenbart, die am 12. November 1982 eingereicht wurde und den Titel "Continuously Variable Fiber Optic Delay Line" hat. Diese Anmeldung wurde am 24. Mai 1984 unter der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 84/02 006 veröffentlicht. Diese Anmeldung wurde auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen. Die variable faseroptische Verzögerungsleitung ist außerdem beschrieben in J. E. Bowers et al, "Fiber-Optic Variable Delay Lines", Electronics Letters, Vol. 18, No. 23, Seiten 999 bis 1000, 11. November 1982. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der faseroptischen Verzögerungsleitung, auf die sich in diesen Referenzen bezogen wird, wird im folgenden detaillierter beschrieben.
Die variable Verzögerungsleitung 254 ist optisch an einem Ende einer anderen optischen Faser 251 angeschlossen, die an ihrem anderen Ende in einem Koppler 252 befestigt ist, wodurch sie in optisch koppelnder Beziehung zu dem Rückleitungsbus 114 steht. Ein Detektor 256 ist optisch an das Ende des Rückleitungsbus 114 oder an die Faser 251 angeschlossen, so daß er das Interferenzsignal empfängt, das durch die Kopplung des Signals von dem Bus 114 mit dem Signal von der Leitung 251 in dem Koppler 252 erzeugt worden ist. Weitere Einrichtungen zur Verarbeitung und Auswertung optischer Signale können an den Detektor 256 angeschlossen sein.
Im Betrieb wird ein kontinuierliches optisches Wellensignal von der Lichtquelle 100 über den Eingangsbus 102 an den Koppler 104 übertragen. Ein Teil des optischen Signals pflanzt sich weiter auf dem Eingangsbus 102 fort und wird in der vorher mit bezug auf Fig. 1 beschriebenen Weise über die Koppler 108 durch die Sensoren 110 und die Koppler 112 an den faseroptischen Rückleitungsbus 114 übertragen.
Ein Teil des optischen Signals von der Lichtquelle 100 breitet sich von dem Koppler 104 durch die Verzögerungsleitung 250, durch die variable Verzögerungsleitung 254 und durch die optische Faser 251 zu dem Koppler 252 aus, wo es mit dem Signal auf dem Rückleitungsbus 114 interferiert, um ein Signal zu erzeugen, das die Phasendifferenz zwischen den Signalen auf dem Bus 114 und der Faser 251 aufweist.
Die variable Verzögerungsleitung 254 wird so betrieben, daß die optische Bahnlänge der Faserverzögerungsleitung 250 effektiv verändert wird, wodurch die optische Bahnlänge der Verzögerungsleitung 250 in gewisser Hinsicht mit jeder der verschiedenen, durch die Sensoren 110 festgelegten optischen Bahnen abgestimmt wird. Das optische Signal von einem bestimmten Sensor 110 interferiert somit mit dem Signal auf der Leitung 251, wodurch das Phasendifferenzsignal wie oben beschrieben erzeugt wird, was eine Information liefert, die die den Sensor beeinflussenden Umgebungsbedingungen definiert. Die Frequenz, mit der jeder Sensor in dieser Weise überwacht wird, hängt von der Rate ab, mit der die variable Verzögerungsleitung 254 betrieben wird. Ein derartiges Schema ist weniger geeignet, wenn die relativen Verzögerungen zwischen Signalen der verschiedenen Sensoren groß sind, da die variable Verzögerungsleitung 254 einen großen Bereich benötigen würde, um die optischen Bahnlängen aller durch die verschiedenen Sensoren festgelegten Bahnen abzustimmen.
Wahlweise kann ein Frequenzverschieber 258 in der Faserverzögerungsleitung 250 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 4 enthalten sein, wodurch ein überlagertes Signal geschaffen wird, wie es zuvor mit bezug auf Fig. 1 diskutiert wurde.
Obwohl das Ausführungsbeispiel aus Fig. 4 nicht für eine Verwendung mit Sensorsystemen geeignet sein kann, die große relative Verzögerungen zwischen den Sensoren aufweisen, ist es ideal für ein Vorwärts-System (feed forward system) geeignet, wie es beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. Unter Bezugnahme insbesondere auf Fig. 5 weist dieses Ausführungsbeispiel des Systems eine Lichtquelle 100 auf, die ein optisches Signal liefert, das an einen Strahlteiler 300 übertragen wird, der optisch so angeschlossen ist, daß mindestens ein Teil des optischen Signals an einen Polarisator 302 übertragen wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Polarisator 302 einen Bulk-Optik-Polarisator auf, wie beispielsweise ein Stück eines Plattenpolarisators (sheet polarizer), der in einer Linie mit dem optischen Signal so angeordnet ist, daß das Signal in einer gewünschten Richtung polarisiert wird. Von dem Polarisator 302 tritt das Signal durch eine Linse 304 hindurch, die das optische Signal in das Ende einer doppelbrechenden optischen Faser 306 hineinleitet.
Die doppelbrechende Faser 306 hat zwei Polarisationsachsen, die derart wirken, daß sie das polarisierte Licht im wesentlichen in der gleichen Weise führen, wie die Eingangs- und Rückleitungsbusse 102 und 114 in den oben beschriebenen parallelen Systemen. Optische Abgriffsstellen (taps) 308a bis 308n sind an ausgewählten Stellen in der doppelbrechenden Faser angeordnet, um die polarisierten optischen Signale zwischen den zwei Polarisationsachsen der Faser zu koppeln. Wie bei den Ausführungsbeispielen des parallelen Systems, die keine gepulste Laserlichtquelle verwenden, sollte die Differenz der optischen Bahnlängen zwischen der Lichtquelle und jeder von zwei benachbarten Abgriffsstellen größer sein als die Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle. Ein bevorzugter Typ einer Abgriffseinrichtung, der in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 verwendet werden kann, ist detailliert beschrieben in R. C. Youngquist, J. Brooks und H. Shaw, "Birefringent-Fiber Polarization Coupler", Optics Letters, Vol. 8, Seite 656, Dezember 1983. Die in dieser Referenz offenbarte Abgriffseinrichtung ist detaillierter weiterhin im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 27 und 28 beschrieben.
Das von der doppelbrechenden Faser 306 abgegebene Signal wird durch eine Linse 310 geleitet, so daß es an einen gekreuzten Polarisator 312 übertragen wird, der einen Polarisator aufweist, der identisch mit dem Polarisator 302 sein kann, mit der Ausnahme, daß er unter rechten Winkeln bezüglich des Polarisators 302 ausgerichtet ist, wodurch der Durchgang von Licht mit der Polarisation unterbunden wird, die durch den Polarisator 302 nicht aufgehalten wurde. Somit weist das Licht, das durch den gekreuzten Polarisator 312 geleitet wird, eine Gruppe nicht interferierender optischer Signale auf, die jeweils die Umgebungsbedingungen angeben, die bestimmte Abschnitte der doppelbrechenden Faser 306 beeinflußt haben, die sie durchlaufen haben.
Das von dem gekreuzten Polarisator 312 abgegebene Signal wird an einen anderen Strahlteiler 314 übertragen, der identisch zu dem Strahlteiler 300 sein kann. Ein Teil des Signals, das auf den Strahlteiler 314 trifft, wird durch diesen hindurch an einen Detektor 320 übertragen, der wiederum an Überwachungs- und Auswertungseinrichtungen (nicht dargestellt) angeschlossen ist, um Phasendifferenzen zu erfassen und diese Phasendifferenzen den Umgebungsbedingungen zuzuordnen, die auf die doppelbrechende Faser eingewirkt haben, um sie zu erzeugen.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf den Strählteiler 300 wird der Teil des von der Lichtquelle 100 übertragenen Lichts, das nicht durch den Strahlteiler 300 hindurchgeleitet wird, durch eine andere Linse 315 geleitet, die das Signal in das Ende einer optischen Faser 316 hineinleitet. Die Faser 316 ist an eine variable Verzögerungsleitung 318 angeschlossen, die aus dem faseroptischen Typ sein kann, auf den sich vorher bezogen wurde, oder sie kann aus Bulk- Optik-Einrichtungen bestehen, indem eine Spiegelanordnung in einer Weise bewegt wird, die in diesem technischen Gebiet bekannt ist. Von der variablen Verzögerungsleitung 318 wird das optische Signal vorzugsweise durch eine Linse 313 an den Strahlteiler 314 übertragen, wo es mit dem Signal gemischt wird, das von dem Polarisator 312 übertragen wird, wobei das resultierende Phasendifferenzsignal von dem Detektor 320 empfangen wird.
Das Lichtsignal, das von dem Strahlteiler 300 durch die optische Faser 316 übertragen wird, bildet ein Referenzsignal, das mit dem Signal verglichen wird, das über eine entsprechende optische Bahnlänge durch die Faser 308 läuft. Auf diese Weise identifiziert das System Verschiebungen in der Phase zwischen den zwei Signalen, die durch die Umgebungseinflüsse auf die doppelbrechende Faser bewirkt werden. Die verschiedenen optischen Bahnlängen durch die Faser 308 werden in dem Referenzsignalarm der Vorrichtung durch den Einsatz der variablen Verzögerungsleitung 318 geschaffen. Somit scannt der Referenzsignalarm die verschiedenen interessierenden Faserlängen, wobei optische Signale erzeugt werden, die in dem Strahlteiler 314 mit optischen Signalen einer entsprechenden optischen Bahnlänge in der Faser 308 interferieren.
Da die zwei Polarisationsachsen der doppelbrechenden Faser 306 ähnliche Gruppengeschwindigkeiten haben, muß die variable Verzögerungsleitung nicht über einen großen Bereich scannen, wobei jedoch Laser mit einer Kohärenzlänge existieren, die kurz genug ist, daß Abgriffseinrichtungen ziemlich dicht (etwa 1 m auseinander) angeordnet werden können, ohne einander merklich zu beeinflussen.
In dem System der Fig. 5 können Umgebungsparameter erfaßt werden, die die zwei Faserpolarisationen unterschiedlich beeinflussen. Wahlweise kann ein Frequenzverschieber 322 zwischen dem Ausgang der variablen Verzögerungsleitung 318 und dem Strahlteiler 314 vorgesehen sein, um ein überlagertes (heterodyned) Signal zu bilden, wie es vorher in bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des verteilten Sensorsystems dargestellt. Das System aus Fig. 6 ist so konfiguriert, daß es die Zeitableitung des Umweltparameters mißt, der die Sensoren beeinflußt. Dieses System verwendet eine gepulste Lichtquelle 100, die entweder ein Laser mit kontinuierlichen Wellen aufweisen kann, der elektronisch oder mechanisch gepulst ist, oder einen selbstgepulsten Laser. Die Lichtquelle 100 erzeugt ein optisches Signal mit einem Impuls, das an einen Strahlteiler 350 übertragen wird, so daß mindestens ein Teil des optischen Signals durch den Strahlteiler 350 und durch eine Linse 352 hindurchtritt und in eine optische Fasereingangsbusleitung 102 hinein. Das gepulste Signal von dem Eingangsbus 102 wird dann durch Koppler 108 an Sensoren 110 und dann durch Koppler 112 an einen optischen Rückleitungsbus 354 übertragen, der einen Verzögerungsabschnitt 356 aufweist, der zwischen dem ersten Sensor 110a und der Rückleitungsbahn zu dem Strahlteiler 350 angeordnet ist. Das Signal läuft durch den Verzögerungsabschnitt 356 und durch eine Linse 358 zu dem Strahlteiler 350. Ein Richtungskoppler kann anstelle des Strahlteilers 350 verwendet werden, wodurch der Einsatz der Linsen 352, 358 und 360 vermieden wird.
Wenn das Signal von der Lichtquelle 100 auf den Strahlteiler 350 auftrifft, wird ein Teil dieses Signals abwärts durch die Linse 358 und in den Faserverzögerungsabschnitt 356 der Rückleitung 354 übertragen. Nach dem Durchlaufen des Verzögerungsabschnitts 356 wird das Signal durch die Koppler 112 an die Sensoren 110 und dann durch die Koppler 108 an den faseroptischen Eingangsbus 102 übertragen. Das Signal wird dann durch die Linse 352 an den Strahlteiler 350 übertragen. Es ist zu beachten, daß der Impuls, der von dem Eingangsbus 102 durch einen vorgegebenen Sensor 110 und dann durch die Faserverzögerungsleitung 356 zurück zu dem Strahlteiler 350 läuft, die gleiche optische Bahn wie der Impuls durchläuft, der zuerst durch den Verzögerungsleitungsabschnitt 356 und dann durch den gleichen Sensor 110 zurück durch die Eingangsleitung 102 zu dem Strahlteiler 350 läuft. Somit erreichen die zwei Impulse den Strahlteiler 350 im wesentlichen zu der gleichen Zeit, wobei sie miteinander interferieren und ein Signal an dem Ausgang des Strahlteilers 350 bilden, das die Phasendifferenz der interferierenden Signale enthält. Da diese interferierenden Signale zu der gleichen Zeit in die Anordnung eintreten, jedoch den gleichen Sensor zu unterschiedlichen Zeiten durchlaufen, tastet der Impuls, der zuerst in die Anordnung eingetreten ist, die Umgebung früher ab, als der Impuls, der verzögert ist. Als Ergebnis ist das an dem Strahlteiler 350 durch die zwei interferierenden Signale erzeugte Phasendifferenzsignal repräsentativ für Veränderungen in der Umgebung, die durch den Sensor über die Zeit erfaßt werden.
Das Phasendifferenzsignal von dem Strahlteiler 350 wird durch eine optische Linse 360 an einen Detektor 370 übertragen. Der Detektor 370 kann an andere herkömmliche Überwachungs- und Auswertungseinrichtungen angeschlossen sein, die die Umgebungsbedingungen an den verschiedenen Sensoren bestimmen.
Wahlweise kann ein Phasenmodulator 364 in der Rückführungsleitung 354 zwischen der Linse 358 und der Verzögerungsleitung 356 vorgesehen sein. Dieser Phasenmodulator kann dazu verwendet werden, die Empfindlichkeit des Systems in einer Weise zu verbessern, wie sie in bezug auf ein faseroptisches Sagnac-Gyroskop bekannt ist. Derartige Techniken werden beispielsweise diskutiert in R. Ulrich, "Fiber Optic Rotation Sensor With Low Drift", Optics Letters, Vol. 5, Seiten 173 bis 175, 1980. Alternativ kann der Phasenmodulator dazu verwendet werden, ein frequenzverschobenes Signal gemäß dem Verfahren zu erzeugen, das hier unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben wird.
Es ist zu beachten, daß in dem System der Fig. 6, wie bei der Anordnung der Fig. 3, das optische Signal ein gepulstes Signal ist. Daher ist die Positionierung der Koppler 108 und der Sensoren 110 nicht von der Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle abhängig. Wie bei der gepulsten Konfiguration der Fig. 3 sollten die Impulse von der Lichtquelle 100 jedoch zeitlich so angeordnet werden, daß die Impulse, die von den Sensoren zu dem Strahlteiler 350 zurückkehren, weder miteinander überlappen, noch mit Impulsen interferieren, die von dem nächsten Impuls der Lichtquelle 100 erzeugt werden.
Die Geometrie des Sensorsystems aus Fig. 6 hat den Vorteil, daß die Lichtbahnen der zwei von dem Strahlteiler 350 übertragenen Signale identisch sind, wodurch eine gute Interferenz dieser zwei Impulse leicht erzielt wird. Ein Nachteil dieses Lösungsvorschlags ist es, daß er frequenzabhängig ist, so daß Veränderungen der Umgebung, die langsam verglichen mit der relativen Impulsverzögerung sind, schwer zu erfassen sind. Große Faserlängen wären notwendig, um langsam veränderliche Signale zu erfassen, wie beispielsweise Tonsignale.
Jedes der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele definiert verteilte Gruppierungen faseroptischer Sensoren, die durch die Verwendung einer Signalquelle mit kurzer Kohärenzlänge überwacht werden können, während es jedoch ermöglicht wird, daß der Ausgang des Sensors überlagert (heterodyned) wird. Darüber hinaus schaffen die Ausführungsbeispiele, die eine Signalquelle mit kontinuierlichen Wellen verwenden, eine neue Technik zum Demultiplexen der Sensoren. Diese Technik umfaßt die Trennung der Sensoren um einen Abstand, der wesentlich größer ist als eine Kohärenzlänge der optischen Quelle, wobei dann interferometrische Mischer (Koppler) an den zentralen Verarbeitungsstellen sinnvoll angeordnet werden, so daß die Sensoren kontinuierlich überwacht werden können, wobei ihre Ausgänge getrennt sind, so daß der Ausgang eines bestimmten Sensors leicht identifiziert werden kann.

Die Serien-Konfiguration

Eine andere Konfiguration des verteilten Sensorsystems der Erfindung wird als "Serien- Konfiguration" oder "Serien-System" bezeichnet, wobei sie eine Leitungsunempfindlichkeit (lead insensitivity) aufweist, aber ein größeres Rauschen erfährt als das parallele System. Das erfinderische Wesen dieses Seriensystems überlappt mit dem erfinderischen Wesen des parallelen Systems, ist mit diesem aber nicht identisch.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Seriensystems kann unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben werden, die ein einfaches Zwei-Sensor-System für Diskussionszwecke darstellt. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß im wesentlichen jede gewünschte Anzahl von Sensoren in der Gruppierung verwendet werden kann, indem die in Fig. 7 dargestellte Konfiguration lediglich erweitert wird. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 weist eine Lichtquelle 100 wie beispielsweise eine Laserdiode auf, die vorzugsweise ein optisches Signal mit kurzer Kohärenzlänge und kontinuierlichen Wellen erzeugt. Die Lichtquelle 100 ist optisch an eine optische Faser 402 angeschlossen, die in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Einzelwellentypfaser ist.
Mehrere Mach-Zehnder-Interferometer bilden Sensoren, die im allgemeinen mit 404, 406 bezeichnet und auf der Faser 402 angeordnet sind. Jeder Sensor 404, 406 weist einen optischen Eingangskoppler 407a, 407b sowie einen optischen Ausgangskoppler 408a, 408b auf, der in einer Kopplungsanordnung auf der optischen Faser 402 positioniert ist. Der zwischen den Kopplern 407, 408 in jedem der Sensoren 404 und 406 angeordnete Abschnitt der Faser 402 bildet die Arme 409 bzw. 411 dieser Sensoren. Jeder Sensor 404, 406 hat einen optischen Faserabschnitt, der einen interferometrischen Arm 410 bzw. 412 bildet, der an jedem seiner Enden an einen der Koppler 407 und 408 angeschlossen ist, so daß er an diesen Kopplungsstellen optisch an die Faser 402 gekoppelt ist.
Die Differenzen in der Länge zwischen den Armen 409 und 410 oder 411 und 412 definieren optische Bahndifferenzen mit den Längen l&sub1; bzw. l&sub2;, die für jeden Sensor unterschiedlich sind. Die optischen Bahnlängendifferenzen (l&sub1; und l&sub2;) sind viel größer als die Quellenkohärenzlänge (Lc) der Lichtquelle 100, so daß eine Veränderung in der relativen Phase zwischen den Armen 409 und 410 oder 411 und 412 eines gegebenen Sensors 404 oder 406 nicht in eine erfaßte Intensitätsmodulation an dem Sensorausgang umgewandelt wird. Für mehrere Sensoren werden die relativen Bahnlängendifferenzen l&sub1; und l&sub2; gemäß einem Verfahren ausgewählt, das im folgenden detailliert als ein Konstruktionsgesichtspunkt diskutiert wird.
Von dem Koppler 408b erstreckt sich die Faser 402 zu einem weiteren optischen Koppler 414, der auf der Faser 402 sowie an das Ende einer optischen Faser 416 befestigt ist, um die Faser 416 in Koppelbeziehung zu der Faser 402 zu bringen. Von dem Koppler 414 ist die Faser 402 weiterhin optisch an ein Mach-Zehnder-Interferometer angeschlossen, das einen Empfänger 418 aufweist, der wiederum ein Paar optischer Koppler 422a und 424a aufweist, die in koppelnder Konfiguration auf der Faser 402 angeordnet sind, so daß ein erster Empfängerarm 426 festgelegt wird, der den Abschnitt der Faser 402 enthält, der sich zwischen den Kopplern 422a und 424a erstreckt. Ein zweiter Empfängerarm 428 weist einen optischen Faserabschnitt auf, der in der Nähe jedes seiner Enden an die optischen Koppler 422a und 424a angeschlossen ist, so daß er an jeder dieser Stellen optisch an die optische Faser 402 gekoppelt ist.
Ein weiteres Mach-Zehnder-Interferometer weist einen Empfänger 420 auf, der wiederum ein Paar optischer Koppler 422b und 424b aufweist, die in koppelnder Konfiguration auf der Faser 416 angeordnet sind, so daß ein erster Empfängerarm 430 festgelegt wird, der den Abschnitt der Faser 416 enthält, der sich zwischen den Kopplern 422b und 424b erstreckt. Ein zweiter Empfängerarm 432 weist einen optischen Faserabschnitt auf, der in der Nähe jedes seiner Enden an die Koppler 422b und 424b angeschlossen ist, so daß er an jeder dieser Stellen optisch an die optische Faser 416 gekoppelt ist.
Die optische Bahndifferenz L&sub1; der Arme 426 und 428 in dem Empfänger 418 sollte so gut wie möglich mit der optischen Bahndifferenz l&sub1; der Arme 409 und 410 des Sensors 404 abgeglichen sein, so daß ein optisches Signal von der Lichtquelle 100, daß durch die Arme 409 und 410 läuft, durch die Arme 426 und 428 des Empfängers 418 von anderen Signalen in dem System getrennt werden kann. Je besser der Abgleich zwischen den optischen Bahndifferenzen L&sub1; und l&sub1; ist, desto besser ist die Interferenz in dem Koppler 424a, die die Phasendifferenz zwischen dem Licht in den Armen 426 und 428 angibt. Wenn die Differenz zwischen L&sub1; und l&sub1; zunimmt, wird die Interferenz an dem Koppler 424a ungefähr in exponentieller Beziehung zu der Differenz zwischen diesen beiden optischen Bahndifferenzen verringert. Natürlich gilt dieses auch für die Differenz zwischen der optischen Bahndifferenz L&sub2; der Arme 430 und 432 im Vergleich zu der optischen Bahndifferenz l&sub2; der Arme 411 und 412 des Sensors 406. L&sub2; sollte wieder so gut wie möglich mit l&sub2; abgeglichen sein.
Insbesondere wenn die Quellenkohärenzlänge viel kürzer ist als irgendeine der optischen Bahndifferenzen der Sensoren und wenn die Differenzen zwischen den optischen Bahndifferenzen der Sensoren, wie beispielsweise l&sub1; und l&sub2;, in geeigneter Weise eingestellt sind, gibt es in dem System der Fig. 7 nur bestimmte Bahnen durch das System, die Signale erzeugen, die in einem gegebenen Ausgangskoppler 424 der Empfänger interferieren, obwohl es zahlreiche optische Bahnen durch das Sensorsystem gibt.
Ein erstes Lichtsignal, das die durch die optische Faser 402, den Arm 410 des Sensors 404, den Arm 411 des Sensors 406 und den Arm 426 des Empfängers 418 definierte optische Bahn durchläuft, trägt beispielsweise eine Information, die die Umgebungsbedingungen wiedergibt, die den Sensor 404 beeinflussen. Wenn die optische Bahndifferenz des Arms 410 relativ zu dem Arm 409 gut mit der des Arms 428 relativ zu dem Arm 426 abgeglichen ist, durchläuft das optische Referenzsignal, das eine Interferenz an dem Koppler 424a liefert, die optische Bahn, die von der Faser 402, dem Arm 409 des Sensors 404, dem Arm 411 des Sensors 406 und dem Arm 428 des Sensors 418 definiert wird. Die zwei oben definierten optischen Bahnen sind in der Länge im wesentlichen identisch, obwohl sie unterschiedliche Systemelemente durchlaufen. Andererseits haben alle anderen optischen Bahnen durch das System andere Längen als diese, und sie interferieren daher nicht mit dem Licht, das diese zwei Bahnen durchläuft. Die einzigen anderen Bahnen, die miteinander interferieren, sind diejenigen, die man durch ein Ersetzen des Arms 411 durch den Arm 412 in der obigen Diskussion erhält. Dieses Paar interferierender Bahnen trägt die gleiche Umgebungsinformation wie das andere Paar Bahnen, so daß das von dem zuletzt genannten Paar Bahnen erzeugte Interferenzsignal das von dem vorhergehenden Paar Bahnen erzeugte Signal verstärkt. Da das System gemäß der später diskutierten Konstruktionsgesichtspunkte ausgelegt ist, interferiert kein anderes Paar Bahnen.
Das durch die in dem Koppler 424a interferierenden Lichtwellen erzeugte Signal beschreibt die Phasendifferenz zwischen diesen Lichtwellen, und es repräsentiert den Einfluß der Umgebungsbedingungen auf den Arm 410 des Sensors 404. Diese Information wird von dem Koppler 424a an einen Detektor 434 übertragen, der sie herkömmlichen Überwachungs- und Auswertungseinrichtungen (nicht dargestellt) zur Verfügung stellt, die daran angeschlossen sein können.
Obwohl oben die Bedingungen beschrieben worden sind, die die Erzeugung eines Phasendifferenz-Ausgangssignals von dem Empfänger 418 umgeben, ist es klar, daß die gleiche Art einer Erläuterung auf die Erzeugung eines Phasendifferenz-Ausgangssignals von dem Empfänger 420 angewendet werden kann, der die Umgebungsbedingungen identifiziert, die den Arm 412 relativ zu dem Arm 411 des Sensors 406 beeinflussen.
In der Serienkonfiguration der Fig. 7 sind die Empfänger 418 und 420 vorzugsweise gegen Umgebungseinflüsse abgeschirmt, die die Phase der Lichtwellen beeinflussen können, die durch sie hindurchgeleitet werden. Für diesen Zweck wird keine weitere Abschirmung in diesem Seriensystem benötigt, da das System gegenüber der Umgebung unempfindlich ist, mit Ausnahme der Sensoren selbst. Diese Unempfindlichkeit beruht auf der Tatsache, daß die optischen Signale in dem System entlang einer gemeinsamen Bahn übertragen werden, mit Ausnahme der von den Sensoren festgelegten Bahnen. Somit erzeugen Umgebungseinflüsse, die die Lichtsignale in der gemeinsamen Bahn beeinflussen, keine Veränderungen in der Phasendifferenz zwischen den Lichtsignalen in diesen Bahnen. Die einzigen Veränderungen der Phasendifferenz, die erzeugt werden, treten in den Sensoren selbst auf, da das Licht in unterschiedlichen Bahnen verläuft.
Die unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschriebene Konfiguration weist ein repräsentatives Ausführungsbeispiel einer Serienkonfiguration auf. Es ist klar, daß diese Konfiguration so erweitert werden kann, wie es notwendig ist, indem weitere Sensoren auf der Leitung 402 in Serie mit den dort in einer ähnlichen Konfiguration vorhandenen Sensoren ergänzt werden, und indem zusätzliche Koppler, wie der Koppler 414, entweder auf der Leitung 402 oder auf Leitungen, wie der Leitung 416, vorgesehen werden, wodurch Eingänge für zusätzliche Empfänger geschaffen werden, die in der Weise der Empfänger 418 und 420 konfiguriert sind.
Auf der Grundlage der obigen Beschreibung wird es offensichtlich, daß die Serienkonfiguration, wie die in der Fig. 7 dargestellte Konfiguration, ein verteiltes Sensorsystem festlegt, das leitungsunempfindlich ist und daher nur einen minimalen Betrag an Umgebungsabschirmung benötigt. Diese Serienkonfiguration beschreibt außerdem ein vollständig faseroptisches Sensorsystem, das eine kontinuierliche Überwachung jedes Sensors in dem System gestattet.
Unter Bezugnahme auf das System aus Fig. 7 ist zu beachten, daß jeder Sensor ein freies Ende hat, aus dem Licht austreten kann. Obwohl diese Eigenschaft Verluste bewirkt, ist dieses kein ernsthaftes Problem, da der Leistungsverlust selbst für eine große Anzahl von Sensoren relativ gering gehalten werden kann, indem die Kopplungskonstanten der Richtungskoppler richtig gewählt werden. Das Verfahren zur Auswahl dieser Kopplungskonstanten wird hier im folgenden detailliert erläutert.
Im Prinzip könnte man den Verlust an Leistung aus den offenen Enden der Sensoren in Fig. 7 vermeiden, indem man ein System, wie das in Fig. 8 dargestellte System, schafft, bei dem die Fasern von beiden Öffnungen jedes Sensors fortgesetzt werden, um den nächsten Sensor zu bilden. Somit wird das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 modifiziert, indem die Koppler 408a und 407b durch einen einzigen Koppler 440 ersetzt werden, der eine Übertragung zwischen dem Arm 410 des Sensors 404 und dem Arm 412 des Sensors 406 ermöglicht, indem diese Arme als Teil einer kontinuierlichen optischen Faser ausgebildet werden, die als optische Faser 442 dargestellt ist. Zusätzlich ist ein optischer Koppler 444 auf der optischen Faser 442 angeordnet, um einen Teil des Lichts von der Faser 442 in eine optische Faser 446 optisch zu koppeln, die eine Verlängerung des Arms 432 des Empfängers 420 bildet.
Obwohl ein derartiges System einen Verlust verringern würde, wird in einem derartigen System die π/2-Phasenverschiebung wichtig, die auftritt, wenn Licht zwischen zwei Fasern koppelt. Licht von einer Eingangsöffnung des Fühlinterferometers tritt in den längeren Arm ein, um π/2 relativ zu Licht verschoben, das in den kürzeren Arm eintritt. Licht von der zweiten Eingangsöffnung tritt mit einer relativen Verschiebung von π/2 Radian in den kürzeren Arm ein. Diese Differenz der relativen Verschiebungen führt zu einer Löschung zwischen den mit Licht verbundenen Signalen, das in jede der zwei Eingangsöffnungen eintritt, so daß, wenn alle Koppler auf einen Koppelkoeffizienten eingestellt sind, der 50% des optischen Signals zwischen den gekoppelten Fasern überträgt, nur der erste Sensor überhaupt irgendein Signal erzeugt.
Wenn die Koppelkoeffizienten auf geeignetere Werte eingestellt werden, kann diese Art eines Systems ein etwas stärkeres Signal erzeugen, als das, das von einem diskontinuierlichen System erzeugt wird. Ein derartiges Signal erhält man jedoch nur, wenn die Fühlinterferometer so ausgebildet werden, daß sie die gesamte Länge der Faser zwischen den gewünschten Erfassungsstellen beinhalten. Dieses bedeutet außerdem, daß den parallelen Fasern eine Abschirmung hinzugefügt werden muß, die die Interferometer nicht umfaßt, da anderenfalls die optischen Signale, die an den Empfängern ankommen, nicht nur die Umgebungsbedingungen wiedergeben, die die Sensoren beeinflußt haben, sondern auch diejenigen Bedingungen, die die parallelen optischen Fasern beeinflußt haben, die sich zwischen den Sensoren und den Empfängern erstrecken. Wahlweise könnte man außerdem zusätzliche Interferometer ohne entsprechende Empfänger als Verbindungen zwischen den besser angeordneten Sensoren an bestimmten interessierenden Punkten verwenden, jedoch neigt die Hinzufügung derartiger Verbindungen dazu, das Signal-Rauschen-Verhältnis zu verschlechtern, das mit jedem Sensor verbunden ist.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 schafft dennoch eine für bestimmte Anwendungen erwünschte Anordnung, insbesondere wenn die Empfänger 418 und 420 parallel konfiguriert sind, wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7. Mit solchen parallelen Empfängern ist eine kontinuierliche und gleichzeitige Überwachung jedes Sensors möglich.
Zusätzlich zu der Bildung eines scheinbar vernünftigen Kompromisses, was die Leistungen für viele Anwendungen betrifft, sowie zu der Minimierung des Betrags der Umgebungsabschirmung, der verglichen zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 benötigt wird, hat die Anordnung des in der Fig. 7 dargestellten Systems außerdem den praktischen Vorteil, daß die freien Faserenden Justierungsanforderungen vereinfachen, indem ein Zugang zu dem Signal geschaffen wird, das an irgendeinem Sensor oder Empfänger in dem System vorhanden ist.
Obwohl die oben beschriebenen parallelen und seriellen Konfigurationen einige der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, ist es klar, daß zahlreiche mögliche Konfigurationen für ein kohärenz-gemultiplextes Sensornetzwerk bestehen, die die hier beschriebenen Eigenschaften der Erfindung aufweisen. Beispielsweise zeigt Fig. 9 ein mögliches kohärenz-gemultiplextes Hybrid-Parallel-Serien-System, das eine Leitungsunempfindlichkeit wie das Seriensystem hat.
Insbesondere weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 9 eine Lichtquelle 100 wie beispielsweise eine Laserdiode auf, die optisch an einen faseroptischen Eingangsbus 102 angeschlossen ist, wobei optische Koppler 108a, 108b, . . . 108n entlang der Länge des Eingangsbus 102 in einer koppelnden Konfiguration angeordnet sind. An jedem Koppler 108a, 108b, . . . 108n ist, um eine optisch koppelnde Beziehung zu dem Eingangsbus 102 zu bilden, ein Ende eines von mehreren faseroptischen Eingangsleitungsabschnitten 501a, 501b, . . . 501n befestigt, die das von dem Eingangsbus 102 angekoppelte Signal zu dem Eingang eines von mehreren Mach- Zehnder-Interferometern übertragen, die die Sensoren 500a, 500b, . . . 500n aufweisen.
Die Sensoren 500 haben insbesondere jeweils einen optischen Eingangskoppler 504a, 504b, . . . 504n und einen optischen Ausgangskoppler 506a, 506b, . . . 506n, die jeweils so auf der optischen Faser 501 angeordnet sind, daß ein erster Sensorarm 502a, 502b, . . . 502n gebildet wird, der sich zwischen den Kopplern 504 und 506 erstreckt. Eine andere optische Faser ist in der Nähe ihrer Enden an die optischen Koppler 504 und 506 angeschlossen, so daß sie optisch an den Arm 502 gekoppelt ist, wodurch ein zweiter Sensorarm 508a, 508b, . . . 508n gebildet wird. Die Sensoren 500 sind jeweils an einen optischen Faserabschnitt 503a, 503b, . . . 503n angeschlossen, der eine Verlängerung jedes Arms 502 ist. Die optischen Faserabschnitte 503 sind jeweils an einem entsprechenden Koppler 112a, 112b, . . . 112n befestigt, der weiterhin an einem faseroptischen Rückleitungsbus 114 befestigt ist, um den Rückleitungsbus 114 optisch an die optischen Faserabschnitte 503 zu koppeln.
Die optische Bahnlängendifferenz zwischen dem Arm 502 und dem Arm 508 muß größer sein als die Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle 100 für jeden Sensor. Die optische Bahnlängendifferenz zwischen den Armen 502 und 508 in jedem der Sensoren muß sich um mindestens eine Quellenkohärenzlänge von der optischen Bahnlängendifferenz irgendeines anderen Sensors unterscheiden. Die Sensoren 500 sind weiterhin an ausgewählten Stellen entlang der Fasern 102 und 114 so positioniert, daß die Länge der Bahn von dem Koppler 108a zu dem Koppler 108b durch den Arm 502b des Sensors 500b zu dem Koppler 112b und zurück zu dem Koppler 112a um einen Betrag größer sein muß als die Bahn von dem Koppler 108a durch den Arm 508a des Sensors 500a zu dem Koppler 112a, der größer ist als eine Kohärenzlänge der Lichtquelle 100 und der sich von den Bahnlängendifferenzen 508 und 502 aller Sensoren 500 um mindestens eine Kohärenzlänge der Lichtquelle 100 unterscheidet. Ähnliche Anforderungen treffen auf den Abstand zwischen anderen Sensoren zu. Diese Anordnung ist erforderlich, um eine Interferenz der Signale von verschiedenen Sensoren auf dem Bus 114 zu vermeiden.
Der Rückleitungsbus 114 ist über mehrere optische Koppler 509a, 509b, . . . 509n an mehrere Empfänger 510a, 510b, . . . 510n in einer Weise angeschlossen, die identisch zu dem Anschluß der Leitung 402 an die Empfänger 418 und 420 in Fig. 7 ist. Die Empfänger der Fig. 9 haben optische Eingangskoppler 512a, 512b, . . . 512n, optische Ausgangskoppler 514a, 514b, . . . 514n, Sensorarme 516a, 516b, . . . 516n sowie Sensorarme 518a, 518b, . . . 518n.
Wie bei der Konfiguration der Fig. 7 sind die Empfänger der Fig. 9 jeweils so konfiguriert, daß die Sensorarme 516a und 518a eine optische Bahnlängendifferenz L&sub1; haben, die im wesentlichen mit der optischen Bahnlängendifferenz l&sub1; der Arme 502a und 508a abgeglichen ist, wie es mit bezug auf die Bahnlängendifferenzen L&sub1; und l&sub1; des Ausführungsbeispiels der Fig. 7 beschrieben wurde. Die optische Bahnlängendifferenz L&sub2; der Arme 516b und 518b hängt weiterhin in einer Weise von der optischen Bahnlängendifferenz L&sub1; der Arme 516a und 518a ab, die identisch der Beziehung zwischen den optischen Bahnlängendifferenzen L&sub2; und L&sub1; der Empfänger 420 und 418 aus Fig. 7 ist.
Im Betrieb gibt die Lichtquelle 100 aus Fig. 9 ein optisches Signal an den optischen Fasereingangsbus 102 ab, das über die Koppler 108 an die Sensoren 500 übertragen wird. Die Sensoren 500 bilden jeweils ein optisches Signal, das die Umgebungseinflüsse auf die Arme 508 relativ zu den Armen 502 repräsentiert. Dieses optische Signal wird über die Koppler 112 an den Rückleitungsbus 114 übertragen, von wo die Signale an die entsprechenden Empfänger 510 gekoppelt werden. Wie es unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 beschrieben wurde, bildet jeder Empfänger ein Ausgangssignal, das der Phasendifferenz zwischen einem Referenzsignal und dem optischen Signal entspricht, das durch die Umgebungsbedingungen beeinflußt wurde, als es die Arme 502 und 508 eines ausgewählten Sensors 500 durchlaufen hat. Diese Ausgangsinformation wird an einen zugehörigen Detektor 520a, 520b, . . . 520n übertragen, der wiederum an herkömmliche Überwachungs- und Auswertungseinrichtungen angeschlossen sein kann, um die erfaßte Umgebungsinformation zu verarbeiten und zu analysieren.
Aufgrund der für die Sensoren 500 aus Fig. 9 verwendeten Interferometerkonfiguration beeinflussen Umgebungseinwirkungen auf andere Teile des Systems als die Sensoren 500 den Ausgang des Signals nicht.
Die Serienkonfiguration des verteilten Sensorsystems kann Lichtbahnen aufweisen, die durch die orthogonalen Polarisationen in einer Einzelmoden-Doppelbrechungs-Faser oder durch fundamentale Moden und Moden zweiter Ordnung in einer Zweifachmodenfaser definiert werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines derartigen verteilten Sensors ist in Fig. 10 dargestellt. Die Konfiguration der Fig. 10 entspricht funktionell dem in Fig. 7 dargestellten System, verwendet aber die orthogonalen Polarisationen einer Einzelmoden- Doppelbrechungsfaser oder die orthogonalen Moden einer Zweifachmodenfaser, zusammen mit ausgewählten Komponenten, um optische Bahnen festzulegen, die den Bahnen des in Fig. 7 dargestellten Systems entsprechen. Die in der Einzelmoden-Doppelbrechungsfaser oder der Zweifachmodenfaser gebildeten orthogonalen Moden definieren zwei Bahnen durch die Faser, die es gestatten, die Einrichtung als ein Zweikanalmedium zu verwenden, wie beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferometer.
Bevor die Details der Struktur und die Theorie des Betriebs dieser weiteren Ausführungsbeispiele des verteilten Sensorsystems diskutiert werden und um deren Verständnis zu unterstützen, wird eine kurze Zusammenfassung der Moden- oder Wellentheorie optischer Fasern gegeben. Für das Verständnis der Erfindung ist es ausreichend, die Nomenklatur sogenannter schwach leitender Fasern zu verwenden, wie sie hier verwendet wird.

Faser-Wellentyp-Theorie

Wenn eine Faser Licht mit einer Wellenlänge unterhalb einer Grenze (cutoff) leitet, beginnt die Faser, Wellentypen höherer Ordnung zu führen. Die Wellenlänge λc an der Grenze bezieht sich auf die Fasergeometrie und kann für eine Stufenindexfaser (step index fiber) berechnet werden, indem die folgende Gleichung verwendet wird:
λc < 2πr(nc²-ncl²)/2,405 (2)
wobei r der Kernradius, nc der Brechungsindex des Kerns und ncl der Brechungsindex der Ummantelung ist.
Der Fachmann erkennt, daß die fundamentale Mode, die Mode zweiter Ordnung, usw. jeweils mehrere elektrische Feldmuster aufweisen, wobei jedes Muster eine Mode repräsentiert. Die fundamentale Mode weist beispielsweise zwei Polarisationsmoden auf. Um Verwirrung zu vermeiden, wird die fundamentale Mode als der fundamentale Modensatz (fundamental set of modes) und die Mode zweiter Ordnung als der Modensatz zweiter Ordnung (second order Set of modes) bezeichnet.
Der Modensatz niedrigster Ordnung, bzw. der fundamentale Modensatz, der geleitet wird, ist der LP&sub0;&sub1;-Modensatz. Der LP&sub1;&sub1;-Modensatz ist der nächste Modensatz (d. h. der Modensatz zweiter Ordnung), der jenseits des fundamentalen Modensatz LP&sub0;&sub1; geleitet wird. Diese Modensätze werden in einem Artikel von D. Gloge definiert und detailliert beschrieben, der den Titel hat "Weakly Guiding Fiber", Applied Optics, 10, 2252, 1971.
Fig. 11 zeigt die Feldmuster der zwei Moden oder Wellentypen in dem fundamentalen LP&sub0;&sub1;-Modensatz und der vier Moden oder Wellentypen in dem LP&sub1;&sub1;-Modensatz zweiter Ordnung. Die Pfeile geben die Richtung der elektrischen Feldvektoren zu einem bestimmten Zeitpunkt an.
Für den LP&sub0;&sub1;-Satz fundamentaler Wellentypen ist der elektrische Feldvektor entweder vertikal, wobei er vertikal polarisiertes Licht repräsentiert, oder horizontal, wobei er horizontal polarisiertes Licht repräsentiert. Für den LP&sub1;&sub1;-Satz der Moden zweiter Ordnung haben die vertikale und horizontale Polarisation jedoch jeweils zwei elektrische Feldmuster. Jedes der Feldmuster des Modensatzes zweiter Ordnung weist weiterhin zwei Schleifen auf. In einem dieser Feldmuster liegen die elektrischen Feldvektoren der Schleifen senkrecht zu der Null-Linie des elektrischen Felds (zero eiectric field line = ZFL), während in dem anderen elektrischen Feldmuster die elektrischen Feldvektoren der Schleifen parallel zu der Null- Linie des elektrischen Felds (ZFL) liegen. Die Null-Linie des elektrischen Felds ist einfach eine Linie zwischen den zwei Schleifen in jedem der Modenmuster zweiter Ordnung, die eine elektrische Feldamplitude der Größe Null repräsentiert. In ähnlicher Weise haben die horizontal polarisierten Moden zweiter Ordnung elektrische Feldvektoren, die entweder parallel zu der ZFL oder senkrecht zu der ZFL ausgerichtet sind, wie es in Fig. 11 dargestellt ist.
Jedes der sechs elektrischen Feldmuster in Fig. 11, nämlich die zwei LP&sub0;&sub1;-Muster und die vier LP&sub1;&sub1;-Muster, sind zueinander orthogonal. Somit können die sechs Muster oder Moden als unabhängige optische Bahnen durch die Faser angesehen werden, die gewöhnlich nicht miteinander koppeln.
Die zwei LP&sub0;&sub1;-Moden durchlaufen die Faser bei der gleichen Phasengeschwindigkeit, und die vier LP&sub1;&sub1;-Moden zweiter Ordnung durchlaufen die Faser bei ungefähr der gleichen Phasengeschwindigkeit. Die Phasengeschwindigkeit für den fundamentalen LP&sub0;&sub1;-Modensatz ist jedoch langsamer als die Phasengeschwindigkeit für den LP&sub1;&sub1;-Modensatz zweiter Ordnung. Somit bewegt sich das Licht, das sich in den zwei Modensätzen LP&sub0;&sub1;, LP&sub1;&sub1; ausbreitet, in Phase und außer Phase zueinander, während sich das Licht durch die Faser ausbreitet. Die Rate, mit der sich die Moden LP&sub0;&sub1;, LP&sub1;&sub1; in Phase und außer Phase bewegen, hängt von der Differenz in den effektiven Brechungsindizes zwischen den zwei Modensätzen LP&sub0;&sub1; und LP&sub1;&sub1; ab.
Die Doppelbrechung einer Faser ist die Differenz in den effektiven Brechungsindizes der zwei Polarisationsmoden. Wenn sich die Lichtquelle bei einer Wellenlänge oberhalb des Grenzwerts (cutoff) befindet, breiten sich nur die zwei Polarisationsmoden innerhalb des LP&sub0;&sub1;-Modensatzes durch die Faser aus. Obwohl es keine Differenz zwischen den Phasengeschwindigkeiten dieser zwei Polarisationsmoden für eine nicht-doppelbrechende Faser gibt, steigt die Differenz in den Brechungsindizes für die zwei Polarisationsmoden und damit die Differenz der Phasengeschwindigkeiten zwischen den zwei Moden, wenn die Doppelbrechung der Faser steigt. Da sich das Licht, das sich in einer doppelbrechenden Faser ausbreitet, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Polarisationsmoden fortpflanzt, verschiebt sich die relative Phase zwischen Licht in einer Polarisationsmode und Licht in der anderen Polarisationsmode kontinuierlich, wodurch bewirkt wird, daß sich das Licht in den zwei Polarisationsmoden in Phase und außer Phase zueinander bewegt, während sich das Licht durch die Faser ausbreitet.
Eine einzige optische Monomode-Faser mit hoher Doppelbrechung kann die Polarisation von Licht aufrechterhalten, das sich darin über weite Entfernungen ausbreitet, so daß gewöhnlich keine merkliche Kopplung des Lichts von einer Mode auf die andere Mode erfolgt. Diese Polarisationsmoden werden im allgemeinen als die X- und Y-Polarisationsmoden bezeichnet.

Schwebungslänge

Die Schwebungslänge einer Faser ist die Entfernung, die zwei Signale der gleichen Frequenz, die sich in unterschiedlichen Ausbreitungsmoden der Faser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortpflanzen, benötigen, um sich um 360º in der relativen Phase zu verschieben, so daß sie wieder in Phase sind. Mathematisch kann die Schwebungslänge ausgedrückt werden als:
L = λ/Δn (3)
wobei λ die optische Wellenlänge in einem Vakuum und Δn die Differenz in den effektiven Indizes von zwei Ausbreitungsmoden der Faser ist.
Wenn eine doppelbrechende Faser in der Erfindung verwendet wird, ist Δn gleich der Differenz der effektiven Brechungsindizes zwischen den zwei Polarisationsmoden (X, Y) des LP&sub0;&sub1;-Modensatzes. Wenn eine Zweimodenfaser in der Erfindung verwendet wird, ist Δn gleich der Differenz der effektiven Brechungsindizes zwischen dem Modensatz (LP&sub0;&sub1;) erster Ordnung und dem Modensatz (LP&sub1;&sub1;) zweiter Ordnung.

Das Ausführungsbeispiel der doppelbrechenden Faser

Die in der Fig. 10 dargestellte Konfiguration des verteilten Sensors entspricht funktionell dem im Fig. 7 dargestellten System. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die Sensoren und Empfänger jedoch eine doppelbrechende Einzelmodenfaser auf.
Fig. 10 zeigt insbesondere eine Lichtquelle 100, wie beispielsweise eine Laserdiode, eine Superlumineszenzdiode oder eine lichtemittierende Diode. Die Lichtquelle 100 ist optisch über eine optische Faser 702 an einen Koppler 704 gekoppelt, der derart wirkt, daß er das optische Signal von der Leitung 702 in eine vertikale und eine horizontale Polarisationsmode trennt und diese auf einen ersten Sensor 706 koppelt, der eine doppelbrechende optische Einzelmodenfaser aufweist.
Koppler, wie beispielsweise der Koppler 704, werden an verschiedenen Stellen in den hier diskutierten Ausführungsbeispielen als eine Einrichtung verwendet, die Signale zwischen der einzigen Mode einer Einzelmoden-Einzelpolarisations-Faser in die beiden Polarisationen einer doppelbrechenden Faser oder umgekehrt koppelt. Solche Koppler zur Vereinigung oder Trennung der Moden werden hier als Polarisationskoppler bezeichnet. Es gibt verschiedene, in der Technologie bekannte Möglichkeiten, eine derartige Kopplung zu bewerkstelligen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zur Erzielung dieser Kopplung besteht darin, die Fasern durch Aneinanderstoßen miteinander zu koppeln, so daß die physikalischen Achsen der Fasern kolinear sind, während die Polarisationsachsen der Fasern zueinander unter einem Winkel angeordnet sind. Die Stoßkopplung kann durch irgendeines von verschiedenen bekannten Verfahren, wie beispielsweise durch Zusammenkleben oder Zusammenschmelzen der Fasern, erzielt werden.
Die Winkelausrichtung der Polarisationsachsen ist analog zu dem Kopplungskoeffizienten in einem herkömmlichen Richtungskoppler. Das heißt, daß mehr oder weniger Licht zwischen den Moden in den zwei Fasern gekoppelt wird, wenn der Winkel verändert wird. Ein Winkel von 45º zwischen den Polarisationsachsen ist äquivalent zu dem gemeinsamen Niveau von 3 db des Kopplungskoeffizienten von 50% in einem herkömmlichen Richtungskoppler. Für Systeme, die nur aus einem Sensor bestehen, ist dieses der optimale Winkel. Wenn das System andererseits mehrere Sensoren enthält, kann der Winkel, der benötigt wird, das Verhältnis Signal zu Rauschen maximal zu machen, anders sein. Die Bestimmung des geeigneten Winkels kann durch eine mathematische Berechnung unter Verwendung bekannter mathematischer Verfahren durchgeführt werden, oder sie kann durch ein Testen der Reaktion des Systems auf verschiedene Winkelbeziehungen der Faserpolarisationsachsen durchgeführt werden.
Bei der Kopplung der Fasern durch Aneinanderstoßen, um den Koppler 704 zu bilden, ist es wichtig, die Doppelbrechungsachsen der Fasern zu finden, so daß sie richtig ausgerichtet werden können. Für manche Fasern kann dieses durch eine mikroskopische Überprüfung der Fasern erzielt werden, um ihre Elliptizität festzustellen. Ein anderes Verfahren beinhaltet die Einspeisung von Licht in die Faser sowie die anschließende Betrachtung des gestreuten Lichtmusters, um die Doppelbrechungsachsen zu bestimmen. Noch ein weiteres Verfahren zur Bestimmung der Doppelbrechungsachse wird beschrieben von S. Carrara et al., "Elastooptic Determination of Birefringent Axes in Polarization-Holding Optical Fiber", Third International Conference on Optical Fiber Sensors, 13. bis 14. Februar 1985, San Diego, Kalifornien.
Die Schrift von Carrara et al lehrt, daß die Verwendung einer seitlichen Belastung eine resultierende Doppelbrechung erzeugt, die eine Kombination der verbleibenden eingebauten Doppelbrechung und der von außen aufgrund der Belastung induzierten Doppelbrechung ist. Als Ergebnis der Belastung weicht die Orientierung und die Größe der reinen Doppelbrechung im allgemeinen von ihren ursprünglichen Werten ab. Dieses bewirkt eine Kopplung eines Teils der optischen Leistung von einer Eigenpolarisationsmode der Faser auf die andere Mode, wenn die Richtung der äußeren Belastung nicht entlang einer der Doppelbrechungsachsen verläuft. Wenn das Licht in dem Belastungsbereich entlang einer der verbleibenden Doppelbrechungsachsen linear polarisiert ist, verändert sich der Polarisationszustand des Ausgangs daher nicht. Dieses wird als ein Maß für die Orientierung der Doppelbrechungsachsen in bezug auf die Richtung der seitlichen Belastung verwendet.
Unter Bezugnahme wieder auf Fig. 10 ist ein weiterer optischer Polarisationskoppler 708, der in der Konfiguration dem Koppler 704 entspricht, an einer Seite optisch an eine Faser 706 gekoppelt und an der anderen Seite an eine Einzelwellentypfaser 710, die eine einzige Polarisationsmode hat. Die Fasern 706 und 710 sind über den Koppler 708 optisch so gekoppelt, daß Signale in den vertikalen und horizontalen Polarisationsmoden der Faser 706 in einer einzigen Polarisationsanordnung in der Faser 710 übertragen werden.
Die optische Faser 710 ist über einen weiteren Polarisationskoppler 712 optisch an einen Sensor 714 gekoppelt, der eine doppelbrechende Einzelwellentypfaser 714 aufweist. Der Koppler 712 kann wiederum wie der Koppler 704 ausgebildet sein. Der Sensor 714 ist über einen weiteren Polarisationskoppler 716 an eine weitere optische Faser 718 gekoppelt, die vorzugsweise eine einzige Polarisationsmode hat, in der sich optische Signale zwischen den Sensoren und den Empfängern in dem System ausbreiten.
Die optische Faser 718 ist über einen herkömmlichen Richtungskoppler 720 optisch an eine weitere optische Einzelmoden-Einzelpolarisations-Faser 722 in einem Empfangsarm gekoppelt, der im allgemeinen mit 740 bezeichnet ist. Die optische Faser 722 ist über einen Polarisationskoppler 724 an einen Empfängerabschnitt 726 gekoppelt, der eine doppelbrechende optische Einzelmodenfaser aufweist.
Wie die Empfänger 418 und 420 aus Fig. 7 hat der Empfänger 726 eine Länge, die im wesentlichen der Länge eines der Sensoren 706 oder 714 entspricht, so daß die optische Bahnlängendifferenz zwischen den Polarisationsmoden in dem Empfänger 726 im wesentlichen der optischen Bahnlängendifferenz zwischen den Polarisationsmoden in dem entsprechenden Sensor 706 oder 714 entspricht. Wie bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel interferieren bei dieser Konfiguration die optischen Signale in dem Empfänger 726, die sich durch Lichtbahnen entsprechender Länge ausgebreitet haben, wobei ein Phasendifferenzsignal erzeugt wird, das die Umgebungsbedingungen angibt, die die Ausbreitung optischer Signale durch den Sensor 706 oder 714 beeinflußt haben, der eine entsprechende Länge hat.
Der Empfänger 726 ist über einen weiteren Polarisationskoppler 728 an eine Einzelwellentypfaser 730 gekoppelt, die eine einzige Polarisationsmode zur Übertragung von Lichtsignalen durch sie hindurch hat. Die optische Faser 730 ist optisch an einen Detektor 732 des Typs gekoppelt, wie er vorher in bezug auf andere Ausführungsformen, wie beispielsweise die Detektoren 434 und 436 aus Fig. 7, beschrieben wurde. Ein elektrisches Ausgangssignal wird von dem Detektor 732 auf einen elektrischen Ausgangsanschluß 734 übertragen, wobei das elektrische Ausgangssignal eine Darstellung der Umgebungsbedingung bildet, die den Fluß optischer Signale durch den entsprechenden Sensor 706 oder 714 beeinflußt.
Die optische Faser 718 ist über einen herkömmlichen Richtungskoppler 736 zusätzlich optisch an einen weiteren Empfangszweig gekoppelt, der im allgemeinen mit 741 bezeichnet ist und der eine Konfiguration hat, die dem oben beschriebenen Empfangszweig 740 entspricht. Insbesondere wird das optische Signal in dem Empfangszweig 741 von dem Koppler 736 an eine optische Einzelwellentyp-Einzelpolarisations-Faser 742 übertragen, von wo aus es über einen Polarisationskoppler 744 an einen Abschnitt einer doppelbrechenden Einzelmodenfaser 746 gekoppelt wird, die einen optischen Empfänger bildet, der eine Länge hat, die der Länge eines der Sensoren 706 oder 714 entspricht. Der Empfänger 746 ist über einen Polarisationskoppler 748 optisch an eine weitere Einzelmodenfaser 750 gekoppelt, die darin eine einzige Polarisationsmode aufweist. Die Faser 750 ist optisch an einen Detektor 752 gekoppelt, der optische Signale von der Faser 750 an eine elektrische Auslaßöffnung 754 überträgt, die ein elektrisches Signal leitet, das das Phasendifferenzsignal des entsprechenden Sensors 706 oder 714 repräsentiert.
Wie bei der in Fig. 7 dargestellten Serienkonfiguration versteht es sich natürlich, daß mehrere Sensoren und ihre zugehörigen Koppler in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 enthalten sein können, und daß dementsprechend mehrere Empfängerzweige für ein Empfangen und Erfassen von Umgebungsbedingungen vorgesehen sein können, die die Phasendifferenzbeziehung optischer Signale beeinflussen, die durch die Sensoren laufen. Die Länge der Einzelmoden-Einzelpolarisations-Faserabschnitte, wie beispielsweise 710, zwischen den Sensoren beeinflußt die Genauigkeit des Systems nicht, da alle zwischen den Sensoren übertragenen optischen Signale entlang einer gemeinsamen Bahn zwischen den Sensoren laufen. Somit tritt keine Veränderung der Phasenbeziehung der optischen Signale in diesen nichterfassenden Abschnitten des Systems auf.
Es wird daran erinnert, daß es die in Fig. 7 dargestellte Anordnung erfordert, daß sich die optische Bahnlängendifferenz der Arme des Sensors 404 um mindestens eine Kohärenzlänge der optischen Quelle von der Bahnlängendifferenz der Arme des Sensors 406 unterscheiden muß. Wenn zusätzliche Sensoren in der Serienanordnung hinzugefügt werden, wird eine Interferenz zwischen den verschiedenen optischen Bahnen vermieden, indem gefordert wird, daß sich die optischen Bahnlängendifferenzen der Sensoren in dem System voneinander um einen Betrag unterscheiden, der exponentiell ansteigt und auf Vielfachen der Quellenkohärenzlänge basiert.
Das System aus Fig. 10 erfordert außerdem eine Trennung der optischen Bahnlängendifferenzen zwischen Sensoren, die auf der Quellenkohärenzlänge basiert. Da die Differenz der optischen Bahnlängen zwischen orthogonalen Moden in einer doppelbrechenden Faser jedoch auf der Differenz der Phasengeschwindigkeit der Polarisationen basiert, basiert die Bahnlängendifferenz zwischen solchen Polarisationsmoden, die notwendig ist, um eine Interferenz zu vermeiden, auf der Länge der Faser, da sie sich auf die optische Wellenlänge bezieht, und der Schwebungslänge des optischen Signals. Insbesondere lautet die Beziehung zwischen der Länge (l) der doppelbrechenden Faser und der optischen Bahnlängendifferenz (Δl) der optischen Bahnen innerhalb der Faser:
Δl = l λ/λb (4)
wobei λ die Wellenlänge des optischen Signals und λb die Schwebungslänge des optischen Signals ist.
Der Fachmann dieser Technologie weiß, daß das Verhältnis von Wellenlänge zu Schwebungslänge typischerweise einen bestimmten Wert für eine bestimmte Faser hat und daß der Wert im allgemeinen von dem Hersteller der Faser erhalten werden kann.
Auf der Grundlage des oben Gesagten erkennt man, daß die Länge eines ersten Sensors 706, die zur Vermeidung einer Interferenz benötigt wird, definiert ist als:
(λ/λb) l > lc (5)
und damit:
l > (λb/λ)lc. (6)
Die oben angegebene Länge wird das Maß, durch das die Trennung der Bahnlängendifferenzen zwischen den Sensoren in dem System bestimmt wird, so daß eine Interferenz zwischen diesen verschiedenen optischen Bahnen vermieden wird.
Ein wichtiger Vorteil der Ausführungsform der Fig. 10 ist es, daß die Verwendung optischer Bahnen, die durch die Polarisationsmoden einer doppelbrechenden Faser definiert werden, eine größere Differenz zwischen den physikalischen Längen des Empfängers 726 und seinen entsprechenden Sensoren 706 oder 714 als bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 gestattet, ohne den Systembetrieb zu verschlechtern. In dem Fall der Serien-Ausführungsbeispiele, wie das der Fig. 7, muß die Differenz zwischen der optischen Bahndifferenz der Sensoren und der optischen Bahndifferenz der Empfänger viel kleiner sein als eine Kohärenzlänge der optischen Quelle. Für eine Superlumineszenzdiode ist diese Quellenhohärenzlänge (Lc) typischerweise in der Größenordnung von etwa 50 um. Somit müßte die Differenz der optischen Bahndifferenzen zwischen dem Sensor und dem Empfänger der Serienkonfigurationen, wie die in den Fig. 7 bis 9, eine Länge haben, deren Differenz kleiner ist als dieser Betrag. Durch die Verwendung der doppelbrechenden Faser kommt jedoch das Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Schwebungslänge ins Spiel. Viele optische Fasern, die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 verwendet werden könnten und die im allgemeinen kommerziell auf dem Markt erhältlich sind, haben eine Schwebungslänge in der Größenordnung von 1 bis 3 mm, wenn sie bei einer Wellenlänge in der Größenordnung von 1 um betrieben werden. Die Beziehung der doppelbrechenden Faser, die die zulässige Differenz zwischen den Sensor- und Empfängerlängen repräsentiert, lautet:
λ/λb l&sub1;- L&sub1; « Lc (7)
wobei l&sub1; die Länge der Sensorfaser und L&sub1; die Länge der Empfängerfaser ist.
Wenn eine Faser mit einem Verhältnis der Wellenlänge zu der Schwebungslänge von 0,001 verwendet wird, ergibt die obige Gleichung, daß die Differenz der optischen Faserlänge des Sensors verglichen mit dem Empfänger viel kleiner als 5 cm sein sollte. Man erkennt, daß eine solche Differenz in der Leitungslänge bei der Herstellung verteilter Sensorsysteme des in der Fig. 10 dargestellten Typs relativ leicht erreicht werden kann.
Wahlweise kann die in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 verwendete Einzelmoden- Einzelpolarisations-Faser durch eine doppelbrechende Faser ersetzt werden. Um eine Einzelpolarisationsmode innerhalb der doppelbrechenden Faser zu erhalten, kann ein Polarisator an der Faser vorgesehen sein. Polarisatoren zur Steuerung der Ausbreitung von Signalen einer bestimmten Polarisation sind in der Technologie allgemein bekannt. Ein Ausführungsbeispiel eines Polarisators, der in der Erfindung verwendet werden kann, ist offenbart von Bergh in U.S. Patent No. 4 386 822, ausgegeben am 07. Juni 1983 mit dem Titel "Polarizer and Method". Wo eine Einzelmoden-Einzelpolarisations-Faser durch eine doppelbrechende Faser ersetzt ist, koppeln die Koppler 704, 708 und 716 zusätzlich zwischen beiden Polarisationen in der doppelbrechenden Faser auf einer Seite des Kopplers und beiden Polarisationen in der doppelbrechenden Faser auf der anderen Seite des Kopplers. Dieses kann durch eine aneinanderstoßende Verbindung (butt splicing) der Fasern erzielt werden, wobei die Polarisationsachsen, wie oben beschrieben, unter einem geeigneten Winkel angeordnet sind. Alternativ kann dieser Kopplungstyp durch die Verwendung einer einzigen durchgehenden doppelbrechenden Einzelmodenfaser erreicht werden, um alle Sensoren und die optisch angeschlossenen Fasern, wie 702, 706, 710, 714 und 718, aufzuweisen, wobei periodisch ein querverlaufender Druck an denjenigen Stellen der doppelbrechenden Faser aufgebracht wird, an denen eine Kopplung erwünscht ist. Eine Vorrichtung zum Aufbringen dieser querverlaufenden Kraft wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 26 beschrieben.
Wenn die optische Faser 718 eine doppelbrechende Faser aufweist, sollten die Koppler 720 und 736 vorzugsweise polarisationserhaltende Richtungskoppler sein, die optische Signale von den orthogonalen Polarisationsmoden in der Faser 718 auf entsprechende orthogonale Polarisationsmoden in der doppelbrechenden Faser 722 und 742 koppeln. Eine Technik zur Erhaltung der Polarisation bei der Kopplung zwischen den Fasern ist es, einen herkömmlichen Richtungskoppler wie denjenigen zu verwenden, der in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde, und die Fasern darin so auszurichten, daß ihre Polarisationsrichtungen in gemeinsamen Ebenen ausgerichtet sind. Somit sollte beispielsweise in dem Koppler 720 die Ebene vertikaler Polarisation der Faser 718 in ebener Ausrichtung mit der der Faser 722 sein. Gleichermaßen sollten die Ebenen horizontaler Polarisation dieser Fasern in ebener Ausrichtung sein. In dieser Konfiguration koppeln die optischen Bahnen gleicher Polarisationen nur mit sich selbst. Ein Verfahren zur Identifizierung der Polarisationsachsen wurde oben beschrieben, und es kann hier zur geeigneten Ausrichtung der Fasern 718 und 722 in dem Koppler 720 verwendet werden.
Wenn die Richtungskoppler 720 und 736 dazu vorgesehen sind, die Polarisation beizubehalten, werden keine Polarisatoren in den doppelbrechenden Einzelmodenfasern 722 und 742 benötigt.
Fig. 12 zeigt ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Serienkonfiguration des verteilten Sensorsystems, wobei doppelbrechende Einzelmodenfasern für die Sensoren und Empfänger verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 12 entspricht in der Funktion dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel. Fig. 12 entspricht weiterhin physikalisch dem in Fig. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel, wenn eine doppelbrechende Einzelmodenfaser in dem gesamten System verwendet wird und wenn Einzelpolarisationsfasern zwischen den Sensoren, wie die Faser 710, aus dem System entfernt werden.
Insbesondere weist das Ausführungsbeispiel der Fig. 12 eine Lichtquelle 100 auf, die vorzugsweise ein optisches Signal liefert, das eine kurze Kohärenzlänge hat. Die Lichtquelle 100 ist über eine optische Faser 752 durch einen Koppler 754 an einen Sensor 756 optisch gekoppelt, der aus einer doppelbrechenden Faser besteht. Der Koppler 754 kann ein Polarisationskoppler der in Verbindung mit Fig. 10 beschriebenen Art sein. Der Sensor 756 ist an seinem Ende durch einen Koppler 758 an einen weiteren Sensor 760 optisch gekoppelt, der aus einer doppelbrechenden Faser besteht. Der Koppler 758 kann wie der Koppler 754 wiederum ein Polarisationskoppler sein. Der Sensor 760 ist durch einen weiteren Polarisationskoppler 762 an einen Abschnitt aus doppelbrechender Faser 764 gekoppelt, der die Signale von den Sensoren an einen Empfangsabschnitt der Einrichtung überträgt.
Die Faser 764 ist durch polarisationserhaltende Richtungskoppler 770 und 772 optisch an jeden der Empfangsarme gekoppelt, die im allgemeinen mit 766 und 768 bezeichnet sind. Die Koppler 770 und 772 entsprechen den oben in bezug auf Fig. 10 beschriebenen polarisationserhaltenden Kopplern 720 und 736. Die Koppler 770 und 772 koppeln Signale von der Faser 764 optisch an Empfängerarme, die im allgemeinen mit 766 bzw. 768 bezeichnet sind. Die doppelbrechende Faseranordnung der Empfängerarme 766 und 768 entspricht der Anordnung für diese Arme, wie sie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 beschrieben wurden, wenn eine doppelbrechende Faser für die verschiedenen Komponenten dieser Empfangsarme verwendet wird. Die Komponenten der Arme 766 und 768 sind somit derart numeriert, daß sie den entsprechenden Armen in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 entsprechen.
Natürlich versteht sich, daß jede gewünschte Zahl von Sensorarmen in Serie hinzugefügt werden kann, indem sie in der Weise angeschlossen werden, wie sie zwischen den Sensoren 756 und 760 dargestellt ist. In gleicher Weise können zusätzliche Empfangsarme hinzugefügt werden, um Veränderungen der Phasendifferenz zu empfangen und zu erfassen, die in diesen zusätzlichen Sensoren auftreten.
Es ist zu beachten, daß das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel einen Vorteil gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 insofern hat, als die Übertragungsleistung betroffen ist, da kein Leistungsverlust zwischen Sensoren aufgrund einer Kopplung an eine angeschlossene Faser, wie beispielsweise die Faser 710 in Fig. 10, auftritt. Andererseits begrenzt eine Anordnung der Sensoren benachbart zueinander, wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 12, die Fähigkeit, Umgebungseffekte in verschiedenen physikalischen Bereichen zu erfassen, wie es mit dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 erreicht werden kann. Es ergibt sich, daß das Ausführungsbeispiel der Fig. 12 so eingestellt werden kann, daß die Sensoren, falls gewünscht, mit einem Abstand voneinander angeordnet werden können. Insbesondere kann jeder zweite Abschnitt aus doppelbrechender Faser einfach als eine Verbindung zwischen zwei Sensoren dienen, indem keine Empfangsarme vorgesehen werden, die angepaßt sind, um die Signale in diesen verbindenden Fasern zu erfassen.
Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 12 kann durch die Verwendung eines einzigen Abschnitts doppelbrechender Faser so konstruiert werden, daß es die Sensoren 756 und 760 sowie den nicht aufnehmenden Verbindungsabschnitt 764 des Systems aufweist. Gleichermaßen kann jeder Empfangsarm 766 und 768 einen getrennten Abschnitt doppelbrechender Faser aufweisen. In dieser Anordnung kann jeder der Koppler zwischen den doppelbrechenden Faserabschnitten aus einem Koppler bestehen, der periodisch einen querwirkenden Druck zur Kopplung der optischen Signale zwischen den orthogonalen Polarisationsmoden der doppelbrechenden Faser ausübt. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 26 dargestellt und wird später im Detail beschrieben. Die Verwendung kontinuierlicher Stränge doppelbrechender Faser vereinfacht die Herstellung der Vorrichtung, da eine Stoßkopplung und der erforderliche Faserausrichtungsprozeß zur Erzielung der Stoßkopplung nicht notwendig sind.
Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das doppelbrechende Fasersensoren verwendet und funktionell dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 13 weist eine Lichtquelle 100 auf, die vorzugsweise eine kurze Kohärenzlänge hat. Die Diode 100 ist optisch an eine Einzelmoden- Einzelpolarisations-Faser 802 gekoppelt. Die Faser 802 ist durch Richtungskoppler 804 und 806 optisch an erste Enden doppelbrechender Fasern gekoppelt, die Sensoren 808 bzw. 810 bilden. Die Sensoren 808 und 810 sind an ihren zweiten Enden optisch durch Richtungskoppler 812 und 814 an eine Einzelmoden-Einzelpolarisations-Faser 816 gekoppelt.
Wenn Signale in den Kopplern 804 und 806 gekoppelt werden, werden die Signale von der Einzelpolarisationsmode in der Faser 802 auf beide Polarisationsmoden in den Fasern 808 und 810 übertragen. Dieses wird bewerkstelligt, indem die Kerne der doppelbrechenden Fasern 808 und 810 in einem Richtungskoppler, wie dem in Fig. 2 dargestellten, in geeigneter Weise orientiert werden. Im allgemeinen sind die Kerne so ausgerichtet, daß die Richtung jeder Polarisationsmode in den doppelbrechenden Fasern 808 und 810 einen Winkel von etwa 45º bezüglich des Winkels der Einzelpolarisationsmode in der Faser 802 hat. Wenn die Signale in den Kopplern 812 und 814 gekoppelt werden, sind die Fasern 808 und 810 in gleicher Weise im allgemeinen in dem Koppler bezüglich der Faser 816 so ausgerichtet, daß die Polarisationsrichtungen in den doppelbrechenden Fasern 808 und 810 ungefähr bei 45º bezüglich der Einzelpolarisationsmode der Faser 816 liegen. Auf diese Weise werden Komponenten beider Polarisationsmoden in der doppelbrechenden Faser so kombiniert, daß sie sich in der Einzelpolarisationsmode der Einzelpolarisationsfaser und umgekehrt ausbreiten.
Die Faser 816 ist in den Richtungskopplern 818 und 820 optisch an doppelbrechende Fasern 822 und 824 gekoppelt, die einen Abschnitt von Empfangsarmen 826 und 828 bilden. Die Koppler 818 und 820 entsprechen im Typ den Kopplern 804 und 806, und die Fasern 816, 822 und 824 sind in den Kopplern 818 und 820 in der oben mit Bezug auf die Fasern 802, 808 und 810 beschriebenen Weise angeordnet. Von den Sensoren 822 und 824 werden die optischen Signale durch Polarisationskoppler 830 bzw. 832 an Einzelmoden- Einzelpolarisations-Fasern 834 und 836 übertragen. Die Koppler 830 und 832 entsprechen den Polarisationskopplern 728 und 748 aus Fig. 10. Die Fasern 834 und 836 sind an Detektoren 838 und 840 gekoppelt, die Signale an elektrische Ausgangsanschlüsse 842 und 844 übertragen, die Umgebungsbedingungen repräsentieren, die die Sensoren 808 bzw. 810 beeinflussen.
Wahlweise kann jede der Fasern 802, 816, 834 und 836 doppelbrechende Einzelmodenfasern aufweisen. Unter diesen Umständen werden Polarisatoren in den Fasern 802 und 816 benötigt, so daß nur eine einzige optische Bahn zwischen den Sensoren in der Fasern 802 und zwischen den Sensoren und den Empfängern in der Faser 816 gebildet wird, wodurch Umgebungseinflüsse auf die Phasenbeziehung der optischen Signale in diesen Nichtaufnahmebereichen vermieden werden.
Es ist zu beachten, daß die Empfängerarme 740 und 741 aus Fig. 10 im wesentlichen äquivalent zu und vollständig austauschbar mit den Empfängerarmen 826 und 828 aus Fig. 13 sind. In ähnlicher Weise kann jeder der Richtungskoppler 804, 806, 812 und 814 durch eine Kombination eines polarisationserhaltenden Kopplers, wie beispielsweise 720 aus Fig. 10, und eines Polarisationskopplers, wie beispielsweise 724 dieser Figur, ersetzt werden. In dem System der Fig. 12 kann der kombinierte Betrieb der Richtungskoppler 770, der Faser 722 und des Polarisationskopplers 724 (oder 772, 742 und 744) außerdem durch eine einzige Einrichtung durchgeführt werden, die optische Leistung von beiden Polarisationen der Faser 764 auf beide Polarisationen der Faser 726 (oder 746) koppelt. Ein derartiger Koppler zur Kopplung zwischen den zwei Polarisationen von zwei doppelbrechenden Fasern kann konstruiert werden, indem die in Fig. 2 skizzierte Ausführung verwendet wird, vorausgesetzt, daß die Polarisationsachsen der zwei Fasern nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Die tatsächlichen Kopplungskoeffizienten eines derartigen Kopplers hängen von mehreren Parametern ab, wie beispielsweise dem Winkel zwischen den Polarisationsachsen, der Faserdoppelbrechung, dem Abstand zwischen den Fasern und den Kopplungslängen.
Ein Unterschied zwischen diesen Systemen besteht darin, daß sich, um eine Interferenz optischer Signale zu vermeiden, die sich durch die verschiedenen Sensoren in den Fig. 10 und 12 ausbreiten, die optische Bahnlängendifferenz jedes in den Systemen der Fig. 10 und 12 dem System hinzugefügten Sensors um ein Vielfaches der Quellenkohärenzlänge, die exponentiell mit jedem hinzugefügten Sensor ansteigt, von der aller vorhergehenden Sensoren unterscheiden muß. Im Gegensatz dazu muß sich die optische Bahnlängendifferenz jedes neuen Sensors in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 13 um ein Vielfaches der Quellenkohärenzlänge, die linear mit jedem hinzugefügten Sensor ansteigt, von der aller vorhergehenden Sensoren unterscheiden.
Eine differentielle Erfassung der Ausgangssignale kann in jedem der in den Fig. 10, 12 und 13 dargestellten Systeme vorgesehen sein, indem die Ausgangsfasern 730, 750 (Fig. 10 und 12) und 834 und 836 (Fig. 13) durch doppelbrechende Fasern ersetzt werden, gefolgt von einem polarisierenden Strahlteiler (nicht dargestellt) eines in der Industrie bekannten Typs sowie von zwei optischen Detektoren (nicht dargestellt). Jeder Detektor wäre optisch an einen der Strahlen von dem polarisierten Strahlteiler gekoppelt. Die elektronischen Signale von den zwei Detektoren könnten dann in einem differentiellen Verstärker (nicht dargestellt) subtrahiert werden, um die Phasendifferenz zwischen den optischen Signalen zu identifizieren, die durch den entsprechenden Sensor übertragen werden.

Das Zweifachmodenfaser-Ausführungsbeispiel

Die unter Bezugnahme auf die Fig. 10, 12 und 13 beschriebenen Systeme basieren auf einer Interferenz zwischen den zwei orthogonal polarisierten Moden in einer hoch doppelbrechenden Faser. Analoge Schemata können entworfen werden, die auf einer Interferenz zwischen zwei räumlich orthogonalen Moden in einer Zweifachmodenfaser basieren.
Die faseroptische Moden- oder Wellentheorie wurde zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben. Unter Bezugnahme auf Fig. 11 wird daran erinnert, daß eine Zweifachmodenfaser sechs Moden oder Wellentypen, wie dargestellt, fortpflanzt. Der Fachmann erkennt, daß der fundamentale Modensatz in einer Faser mit zylindrischer Symmetrie doppelt entartet (doubly degenerate) ist. Mit anderen Worten pflanzen sich optische Signale, die sich in den zwei orthogonalen Polarisationen der fundamentalen Mode fortpflanzen, mit identischer Phasengeschwindigkeit fort. In ähnlicher Weise besteht der Modensatz zweiter Ordnung aus zwei Paaren entarteter, orthogonal polarisierter Moden, wobei die Paare untereinander nahezu entartet sind. Es ist bekannt, daß diese Entartung zwischen Polarisationen durch eine belastungsinduzierte Anisotropie oder alternativ durch die Verwendung eines elliptischen Kerns in der Zweifachmodenfaser aufgehoben werden kann. Die Einführung eines elliptischen Kerns hebt auch die Fast-Entartung der Moden zweiter Ordnung auf.
Wenn die Entartung durch eine geeignete Auslegung der Faser aufgehoben wird, kann sich Licht in irgendeiner der Moden in dem Modensatz ausbreiten, ohne merklich an die anderen Moden in dem gleichen Modensatz oder an irgendwelche Moden in dem anderen Modensatz gekoppelt zu werden.
Für die Zwecke der folgenden Diskussion wird angenommen, daß die Zweifachmodenfasern wie oben beschrieben konfiguriert sind, so daß sie modenerhaltend sind, wobei die Entartungen beseitigt sind. Somit wird angenommen, daß nur eine Mode in dem fundamentalen Modensatz und eine Mode in dem Modensatz zweiter Ordnung für eine Ausbreitung optischer Signale vorgesehen ist. Unter diesen Bedingungen bilden die Fig. 10, 12 und 13 Darstellungen verteilter interferometrischer Sensoren, deren Betrieb auf einer Interferenz zwischen der fundamentalen Mode und der Mode zweiter Ordnung in einer Zweifachmodenfaser basiert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10 arbeitet das System wie vorher für das Ausführungsbeispiel der doppelbrechenden Faser beschrieben, mit der Ausnahme, daß die durch dicke Linien 706, 714, 726 und 746 dargestellten optischen Fasern Zweifachmodenfasern bilden, und daß die durch dünne Linien dargestellten Fasern Einzelmodenfasern bilden. Die durch die Kreise wie 704, 708, 712 und 716 wiedergegebenen Koppler arbeiten derart, daß sie optische Signale zwischen der fundamentalen Mode der Einzelmodenfaser und sowohl den fundamentalen Moden als auch den Moden zweiter Ordnung der Zweifachmodenfaser koppeln. Diese Kopplungsanordnung wird durch eine aneinanderstoßende Verbindung der optischen Fasern in der in Fig. 14 dargestellten Weise erzielt.
Insbesondere zeigt Fig. 14 eine optische Einzelmodenfaser 850, die eine fundamentale Mode hat, die vertikal polarisiert ist. Die Faser 850 ist durch Aneinanderstoßen an eine optische Zweifachmodenfaser 852 gekoppelt, die eine fundamentale Mode mit einer vertikalen Polarisation sowie eine Mode zweiter Ordnung hat, die die vertikal-senkrechte Orientierung aufweist, wie es in Verbindung mit Fig. 11 beschrieben wurde. Durch die Stoßkopplung der Faser 850 mit der Faser 852 derart, daß die zentralen Achsen der Fasern versetzt sind, ist es möglich, die vertikal polarisierten Signale von der Faser 850 sowohl an die vertikal polarisierte fundamentale Mode als auch an die vertikal-senkrechte Mode zweiter Ordnung der Faser 852 zu koppeln. Eine Kopplung von der Zweimodenfaser 852 an die Einzelmodenfaser 850 ist unter Verwendung dieser Kopplungsanordnung natürlich ebenfalls möglich. In dieser Ausführungsform weisen die Koppler 720 und 736 herkömmliche Richtungskoppler auf, die die optischen Signale von der Faser 718 an die Fasern 722 und 742 übertragen.
Im Betrieb weist das Zweimoden-Ausführungsbeispiel der Fig. 10 ein optisches Signal auf, das von einer Lichtquelle 100 durch eine Einzelmodenfaser 702 an einen Koppler 704 übertragen wird, wo das Signal von der Faser 702 so gekoppelt wird, daß es sich sowohl in der fundamentalen Mode als auch in der Mode zweiter Ordnung eines faseroptischen Zweifachmodensensors 706 ausbreitet. Diese Signale werden dann durch einen Koppler 708 geleitet, wo die Signale so kombiniert werden, daß sie sich in einer einzigen Polarisationsmode einer Einzelmodenfaser 710 ausbreiten. In einem Koppler 712 wird das Signal von der Faser 710 wiederum so gekoppelt, daß es sich sowohl in der fundamentalen Mode als auch in der Mode zweiter Ordnung eines optischen Zweimodenfasersensors 714 ausbreitet, und in einem Koppler 716 werden die Signale wieder kombiniert, um in einer einzigen Polarisation durch eine Einzelmodenfaser 718 zu laufen. In einem Koppler 720 wird ein Teil des Signals von der Faser 718 an eine optische Faser 722 übertragen, von wo es durch einen Koppler 724 hindurchtritt, so daß es in die fundamentale Mode und die Mode zweiter Ordnung eines faseroptischen Zweimodenempfängers 726 gekoppelt wird. Wie zuvor beschrieben wurde, entsprechen die Moden in der Faser 726 in der optischen Bahnlängendifferenz entweder der des Sensors 706 oder der der Faser 714. Somit interferieren Signale, die die optischen Bahnen des entsprechenden Sensors durchlaufen haben, in dem Empfänger 726, um ein Differenzsignal zu erzeugen, das die Umgebungsbedingungen repräsentiert, die den entsprechenden Sensor beeinflussen. Das Differenzsignal wird durch einen Koppler 728 in die einzige Polarisationsmode einer Einzelmodenfaser 730 übertragen. Dieses Differenzsignal wird dann in einem Detektor 732 erfaßt und als ein Amplitudensignal über einen elektrischen Anschluß 734 an weitere Überwachungseinrichtungen übertragen.
In gleicher Weise arbeitet der Empfangszweig 741 aus Fig. 10 derart, daß er Signale empfängt, die sich durch den Sensor 706 oder 714 ausgebreitet haben, der eine optische Bahnlängendifferenz hat, die der des Empfängers 746 entspricht. Somit tritt eine Interferenz zwischen den Signalen in dem Empfänger 746 auf, wobei ein Differenzsignal erzeugt wird, das die Umgebungsbedingungen repräsentiert, die Veränderungen in der Phase optischer Signale bewirken, die sich durch die einzelnen Moden in dem entsprechenden Sensor 706 oder 714 ausbreiten.
Wahlweise können die durch dünne Linien in der Fig. 10 dargestellten nichtaufnehmenden Einzelwellentypfasern auch durch Zweifachwellentypfasern ersetzt werden. In dieser Konfiguration wird ein Wellentyp-Filter oder -Abstreifer (stripper) verwendet, um den Wellentyp zweiter Ordnung zu beseitigen. Verfahren zur Beseitigung des Wellentyps zweiter Ordnung sind in dem Fachgebiet bekannt und sie umfassen Dinge wie beispielsweise ein Aufwickeln der Zweifachwellentypfaser auf einen Kern. Dieser bekannte Typ eines Wellentypabstreifers wird in einem Artikel von Y. Katsuyama diskutiert, mit dem Titel "Single Mode Propagation in a Two Mode Region of Optical Fiber by Using Mode Filter", Electronics Letters, 15, 442, 1979. Dieser Artikel wird durch Bezugnahme darauf hier aufgenommen. Eine weitere bekannte Wellentypabstreiftechnik weist ein Heizen der Zweifachwellentypfaser und ein anschließendes Ziehen dieser Faser auf, um ihren Durchmesser zu verringern.
In der Konfiguration, die überall die Zweifachwellentypfaser verwendet, wirken die als Kreise in Fig. 10 dargestellten Koppler so, daß sie zwischen sowohl der fundamentalen Mode als auch der Mode zweiter Ordnung der Zweifachmodenfaser auf einer Seite des Kopplers und beiden Moden in der Faser auf der anderen Seite des Kopplers koppeln. Somit wird mit einem an die nichterfassenden Zweifachmodenfasern angeschlossenen Modenabstreifer die Mode zweiter Ordnung abgestreift, wodurch ermöglicht wird, daß sich optische Signale nur in einer der fundamentalen Moden der wahlweisen Zweifachmodenfasern ausbreiten.
Ein optischer Koppler, der so funktioniert, daß er in der oben beschriebenen Weise koppelt, kann gebildet werden, indem die optischen Fasern durch Aneinanderstoßen verbunden werden, wobei ihre Achsen versetzt sind, wie es zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 14 diskutiert wurde. Alternativ kann eine Kopplung durch ein Biegen der optischen Faser an den gewünschten Kopplungsstellen gebildet werden. Durch ein Biegen der Faser wird bewirkt, daß optische Signale zwischen den Moden in der optischen Faser gekoppelt werden. Eine Ausführungsform einer Einrichtung zum Aufbringen dieser Biegungen an geeigneten Stellen in der Faser wird dargestellt und beschrieben in H. F. Taylor, "Bending Effects in Optical Fibers", Journal of Lightwave Technology, LT-2, 5, 617 bis 628, Oktober 1984.
Da für die Faser 718 sowie für die Faser 722 und 742 eine Zweifachmodenfaser verwendet wird, müssen die Richtungskoppler 720 und 736 so arbeiten, daß sie die Moden beibehalten, die zwischen den Fasern gekoppelt werden. Mit anderen Worten dürfen diese Koppler nur von der fundamentalen Mode in einer Faser auf die fundamentale Mode in der zweiten Faser und von der Mode zweiter Ordnung in einer Faser auf die Mode zweiter Ordnung in der zweiten Faser koppeln. Es ist bekannt, daß die Kopplung zwischen zwei Moden in Fasern, die in kurzer Entfernung voneinander angeordnet sind, nur stark ist, wenn die Moden die gleiche Phasengeschwindigkeit haben. Da die zwei Fasern vermutlich eine identische Auslegung haben, haben die fundamentalen Moden in den zwei Fasern die gleiche Phasengeschwindigkeit und koppeln daher stark miteinander. In ähnlicher Weise haben die Moden zweiter Ordnung die gleiche Phasengeschwindigkeit, und sie sind ebenfalls stark miteinander gekoppelt.
Das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel des verteilten Sensors kann außerdem aus einer Zweifachmodenfaser hergestellt werden. Bei dieser Konfiguration können die optischen Fasern eine einzige Zweifachmodenfaser für den Sensorabschnitt und individuelle Zweifachmodenfasern für jeden Empfangsarm 766 und 768 aufweisen. Die als Kreise dargestellten Koppler entsprechen den zuvor beschriebenen wellentypvermischenden Kopplern, die durch ein Biegen der Fasern gebildet werden können, um eine Kopplung der optischen Signale zwischen den Moden in diesen Fasern zu erzeugen. Die Richtungskoppler 770 und 772 weisen modenerhaltende Koppler des oben beschriebenen Typs auf, wobei herkömmliche Koppler in Verbindung mit Fasern verwendet werden, deren Phasengeschwindigkeiten so abgestimmt sind, daß Signale nur zwischen entsprechenden identischen Moden übertragen werden.
Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 13 kann außerdem so ausgebildet sein, daß die Sensoren 808 und 810 und die Empfänger 822 und 824 Zweifachwellentypfasern aufweisen. In dieser Situation bilden die durch Rechtecke dargestellten Richtungskoppler, wie die Koppler 804 und 806, Koppler, die so arbeiten, daß sie zwischen der fundamentalen Mode einer Einzelmodenfaser und sowohl der fundamentalen Mode als auch der Mode zweiter Ordnung einer Zweifachmodenfaser koppeln. Da die Kopplung zwischen Moden in Fasern, die in geringer Entfernung zueinander angeordnet sind, sowohl von der Differenz der Phasengeschwindigkeit zwischen den Moden als auch von dem Grad des Überlapps der Modenfelder abhängt, können diese Parameter so eingestellt werden, daß die richtige Kopplung sowohl an die fundamentale Mode als auch an die Mode zweiter Ordnung der Zweifachmodenfaser geschaffen wird. Die Koppler 830 und 832 bilden Polarisationskoppler, die zwischen der fundamentalen Mode einer Einzelmodenfaser und sowohl der fundamentalen Mode als auch der Mode zweiter Ordnung einer Zweifachmodenfaser koppeln, wie es in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel der Zweifachmodenfaser aus Fig. 10 beschrieben wurde.
In der Konfiguration der Fig. 13 würde die Verwendung einer Zweifachmodenfaser bei der Herstellung der Fasern 802 und 816 das System unnötigerweise verkomplizieren, da eine Einrichtung geschaffen werden würde, durch die die Signale, die sich in den zwei getrennten Moden ausbreiten, durch äußere Kräfte in Bereichen unterschiedlich beeinflußt werden, die nicht dafür vorgesehen sind, als Sensoren zu arbeiten. Folglich kann nicht angenommen werden, daß die in den Empfangsarmen 826 und 828 identifizierten Phasendifferenzsignale nur in einem speziellen Sensor erzeugt worden sind. Wie bei den Ausführungsbeispielen der doppelbrechenden Einzelmodenfaser sind die Zweifachmodenausführungsbeispiele der Empfangsarme 826 und 828 äquivalent und vollständig austauschbar mit den Zweifachmodenausführungsbeispielen der Empfangsarme 740 und 741 aus Fig. 10.

Konstruktionsgesichtspunkte

1. Einflüsse durch Rauschen

Die Leistung von kohärenz-gemultiplexten Systemen wird im allgemeinen durch verschiedene Typen von Rauschen begrenzt. Zusätzlich zu dem Schrotrauschen und einem elektronischen Verstärkungsrauschen, die in jedem optischen Fühlsystem vorhanden sind, können die hier offenbarten Systeme einem Rauschen ausgesetzt sein, das aus einer Interferenz zwischen Lichtkomponenten resultiert, die mit Bahnen verbunden sind, die nicht für ein Interferieren vorgesehen sind. Es gibt zwei Möglichkeiten, in denen dieses auftreten kann. Erstens, wenn die Differenz optischer Verzögerungen zwischen zwei Bahnen nicht groß genug ist, wird das Licht von den zwei Bahnen nicht vollständig inkohärent, und es treten "Übersprech"-Terme ("cross-talk" terms) in der erfaßten Leistung auf. Mit anderen Worten hängt die erfaßte Leistung schwach von den relativen Phasenverzögerungen nominell nicht interferierender Bahnen ab.
Zweitens, selbst wenn das zu den zwei Bahnen gehörige Licht wechselweise inkohärent ist, können unmittelbare Interferenzeffekte vorhanden sein. Obwohl derartige Interferenzeffekte im Mittel verschwinden, mitteln Erfassungssysteme mit einer Nicht-Null-Bandbreite die resultierenden Intensitätsfluktuationen nicht vollständig aus. Die genaue Eigenschaft dieses "Inkohärenz-Rauschens" hängt von der Eigenschaft der Lichtquelle ab. In einem System, das eine Einzelmodenlaserdiode als Quelle verwendet, ist das Inkohärenzrauschen beispielsweise mit dem Phasenrauschen verbunden, das an dem Laserausgang vorhanden ist. Für allgemeinere Quellen kann auch ein Modenverteilungsrauschen (mode partition noise) oder ein Quellenintensitätsrauschen (source intensitiy noise) beitragen.
Manche der Übersprech-Rauscheffekte und der Inkohärenz-Rauscheffekte können aus den Systemen durch die Verwendung von Polarisationssteuereinrichtungen beseitigt werden, die verhindern, daß Bahnen interferieren. Diese Vorgehensweise ist jedoch nur teilweise in Systemen mit mehr als zwei Bahnen wirksam, die nicht miteinander interferieren sollen. Ein spezieller Typ einer Polarisationssteuereinrichtung, die in den Systemen der Erfindung zur Steuerung eines Übersprechens verwendet werden kann, wird hier im folgenden beschrieben.

2. Die Bestimmung optischer Sensorbahnlängen

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei einem kohärenz-gemultiplexten Sensornetzwerk ist die Notwendigkeit sicherzustellen, daß nur die Bahnen in der Länge gut abgestimmt sind, die eine Interferenz haben sollen. Dieses kann in dem parallelen Schema relativ einfach erreicht werden, wobei jede folgende Sensorbahnlänge um einen Betrag L&sub0; länger als die vorhergehende Bahnlänge sein sollte, wobei L&sub0; » Lc groß genug gewählt wird, um ein Übersprechen zu verringern, um die Systemanforderungen zu erfüllen.
Bei der Serienkonfiguration ist die Situation etwas komplizierter. Beispielsweise sollen m&sub1; L&sub0;, m&sub2; L&sub0;, m&sub3; L&sub0;, . . . die differentiellen Bahnverzögerungen des aufnehmenden Mach- Zehnder-Interferometers sein, wobei mk eine ganze Zahl ist. Die Verzögerungen müssen nicht in einer bestimmten Ordnung numeriert werden. mk+1 muß dann mk+1 Ck und 2 mk+1 Ak genügen, wobei
Ein Verfahren, Folgen zulässiger Verzögerungen herzustellen, besteht darin, mit einem bestimmten m&sub1; zu beginnen und jedes folgende Serienelement dann so auszuwählen, daß es die nächstkleinste Zahl ist, die den obigen Bedingungen genügt. Für m&sub1; = 1 genügt die resultierende Folge, 1, 3, 8, 21, 55, . . . der Rekursionsbeziehung
Durch die Verwendung von z Transformationen kann man zeigen, daß diese Gleichung folgende explizite Lösung hat:
Diese Folge setzt sich unendlich fort, so daß man für ein System mit irgendeiner Zahl von Sensoren N immer eine Untermenge der Folge wählen kann, um die Verzögerungen zu spezifizieren. Im allgemeinen kann man auch einen Satz von Verzögerungen verwenden, deren Bildung von N abhängt. Insbesondere kann man mk folgendermaßen wählen:
mk = m+2k11y(10)AVorausgesetzt, da N V 4 und
m&sub1; ≥ 3·2N-1-4·2N/2+3, N gerade
m&sub1; ≥ 3·2N-1-3·2(N+1Y/2+3, N ungerade (11)
oder alternativ
mk = mN-2N-k+1 (12)
wobei N ≥ 1 ist; und
mN ≥ 3·2N-1-2·2N/2+1, N gerade
mN ≥ 3·2N-1-3·2(N-1)/2+1, N ungerade (13)
Beispielsweise für 4N = 5 sind die kleinsten Sätze dieser Formeln gegeben durch [27, 28, 30, 34, 42] und [22, 30, 34, 36, 37]. Zu beachten ist, daß die letzten dieser drei oben gegebenen Verzögerungsklassen das langsamste Ansteigen der maximalen Verzögerung mit ansteigendem N zeigen. Es ist nicht bekannt, ob kompaktere Verzögerungssätze möglich sind oder nicht.
Auf der Grundlage der oben angegebenen Beziehung basieren die speziellen differentiellen Bahnlängen, die ausgewählt werden, auf den erwarteten Anwendungen des Systems.
Wie zuvor erläutert wurde, ist die Serienkonfiguration zumindest für die Anwendungen mit großer Entfernung von speziellem Interesse, da sie leitungsunempfindlich ist und die Sensoren daher an entfernten Stellen angeordnet werden können, ohne daß eine Umgebungsabschirmung der Leitungen oder anderer Teile des Fühlsystems notwendig ist.

3. Die Auswahl der Kopplungskoeffizienten

Ein weiterer für die Auslegung eines kohärenz-gemultiplexten verteilten Sensorsystems relevanter Gesichtspunkt ist die richtige Auswahl der Kopplungskoeffizienten für die verschiedenen in dem System verwendeten Richtungskoppler. Der Begriff "Kopplungskoeffizient", wie er hier verwendet wird, ist als das Leistungsverhältnis der gekoppelten Leistung zu der gesamten abgegebenen Leistung definiert. Wenn Licht beispielsweise unter Bezugnahme auf die Fig. 2 auf die Öffnung A aufgebracht wird, ist der Kopplungskoeffizient gleich dem Verhältnis der Leistung an der Öffnung D zu der Summe des Ausgangs an den Öffnungen B und D.
Die Bestimmung der Kopplungskoeffizienten kann zum Teil auf der unmittelbaren Anforderung basieren, daß alle Sensoren, die gleiche Umgebungsmodulationsamplituden erfahren, Signale vergleichbarer Stärke an die zentrale Verarbeitungsstelle zurückleiten sollten. Für die Serienkonfiguration bedeutet dies, daß alle Fühlinterferometer aus identischen Kopplern hergestellt sein sollten, wodurch gewährleistet wird, daß alle Interferometer vergleichbare Umgebungsempfindlichkeiten haben. Die Ordnung, in der Sensoren in der Kette erscheinen, hat keine Auswirkung auf die Eigenschaft des Felds, das die Empfänger erreicht. Somit liefern Sensoren, die aus identischen Kopplern hergestellt sind, Signale gleicher Stärke. Es ist zu beachten, daß die Koppler an den zwei Enden jedes Fühlinterferometers ebenfalls identisch sein sollten.
In dem Fall des parallelen Systems ist die Lösung weniger trivial. Es wird angenommen, daß N Sensoren in einem parallelen System, wie dem in Fig. 1 dargestellten, vorhanden sind. Die Sensoren werden mit einem Index j numeriert, der von 1 bis N läuft, wobei mit j=1 für den Sensor begonnen wird, der der Lichtquelle 100 und den Empfängern 120 am nächsten ist. Der Energiekopplungskoeffizient für die mit dem Sensor j verbundenen Koppler 108 und 112 sei kj, so daß ein Bruchteil kj der gesamten Energie zwischen den zwei Fasern in dem Koppler übertragen wird, wobei ein Energiebetrag 1-kj gerade durch den Koppler hindurchtritt, ohne gekoppelt zu werden. Es ist zu beachten, daß die Koppler an den Enden eines bestimmten optischen Fasersensors identisch sein sollten.
Zur Vereinfachung wird angenommen, daß Licht über die Fasern in den Kopplern 108 koppeln muß, um von dem Eingangsbus 102 an eine Fühlfaser 110 und zurück zu dem Rückleitungsbus 114 zu gelangen, obwohl die Situation genausogut umgekehrt sein könnte. Licht, das von dem Sensor j zurückkehrt, hat einen Verlust von den Kopplern 1 bis j sowohl auf dem Eingangsbus 102 als auch auf dem Rückleitungsbus 114 erfahren. Die Koppler 1 bis j-1 haben eine Übertragung 1-kq sowohl für die Eingangs- wie für die Rückleitungskoppler 108 und 112, wobei die zwei Koppler an dem Sensor j eine Übertragung kj haben. Damit ist die Leistung, die von dem Sensor j an die Empfänger 120 zurückkehrt, gegeben durch
wobei Pin die Leistung ist, die an die Sensoranordnung gesendet wird. Wenn Pj+1, return = Pj, return gesetzt wird, ergibt sich, daß die Kopplungskoeffizienten über kj+1 = kj/(1-kj) verknüpft sind, oder äquivalent
kj = kj+1/(1+kj+1) (15)
Der letzte Sensor benötigt eigentlich keine Koppler, da keine Leistung für die weiteren Sensoren benötigt wird. Damit kann man kn = 1 setzen. Zusammen mit der gerade abgeleiteten Rekursionsbeziehung bedeutet dies, daß sich der Kopplungskoeffizient für die Koppler des Sensors j ergibt zu
kj = 1/(N-j+1) (16)
Dieses bedeutet wiederum, daß die gesamte Übertragung Pj, return/Pin wie erwartet für jeden Sensor gleich ist und gleich 1/N².
Einer der Faktoren von 1/N tritt auf, da die Eingangsleistung zwischen N Sensoren aufgeteilt werden muß. Der andere Faktor von 1/N ist ein Ergebnis des unvermeidbaren Verlusts, der auftritt, wenn Signale von zwei Fasern (der optischen Fühlfaser 110 und dem Rückleitungsbus 114) durch einen passiven linearen Koppler 112 kombiniert werden, um ein Einzelmodensignal zu bilden (d. h. das Signal auf dem Rückleitungsbus). Zu beachten ist, daß Kopplungskonstanten, die nicht durch das Erfordernis gleicher Sensorempfindlichkeiten bestimmt sind, so gewählt werden können, daß die Signal-zu-Rauschen-Leistung jedes Sensors maximal wird.

4. Mathematische Theorie des Systems

Nachdem die Struktur eines kohärenzgemultiplexten Systems spezifiziert worden ist, wird jetzt das Signal betrachtet, das in einer solchen Konfiguration erzeugt wird. Fig. 15 zeigt eine vereinfachte Version eines Seriensystems, ähnlich dem in Fig. 7 dargestellten System, mit der Ausnahme, daß nur ein Sensor 404 und ein Empfänger 418 vorgesehen ist. Obwohl dieses nicht wirklich ein gemultiplextes System ist, dient es dazu, einige Eigenschaften des kohärenz-gemultiplexten Systems der Erfindung zu veranschaulichen.
Das an dem Eingang der Faser 402 vorhandene optische Feld von der Lichtquelle 100 sei durch 2Pou(t) eiΩt gegeben, wobei P&sub0; die optische Leistung und u(t) eiΩt das stochastische analytische Signal ist, das das Feld beschreibt, so normalisiert, daß sein mittlerer quadratischer Wert < u(t) ² > Einheit (unity) ist. Wenn ein verlustloses System angenommen wird, in dem alle Koppler 407, 408, 422 und 424 auf einen Kopplungskoeffizienten von 50% eingestellt sind und alle optischen Bahnen durch das System in der gleichen letzten Polarisation des optischen Signals resultieren, ist die auf den Detektor 434 einfallende optische Leistung P(t) gegeben durch
wobei T&sub0; die minimale Verzögerung durch das System ist, T die differentielle Verzögerung in jedem Sensor 404 und Empfänger 418 ist, und Φs und Φr die differentiellen Phasenverzögerungen in dem Sensor 404 und dem Empfänger 418 sind.
Wenn der erwartete Wert dieses Ausdrucks und die normalisierte Selbst-Kohärenz-Funktion Γu (τ) = < u(t+τ) u(t) > verwendet werden, kann die erwartete aufgenommene Leistung geschrieben werden als
Es kann gezeigt werden, daß die Selbst-Kohärenz-Funktion Γu(τ) die Fourier- Transformierte der spektralen Dichte der optischen Einzelseitenleistung (single-sided optical power spectral density) ist, geeignet normalisiert und in den Ursprung verschoben. Wenn das von der Quelle 100 erzeugte Licht eine Lorentz-Linienform mit einer vollen Breite auf halbem Maximum (full width at half maximum = FWHM hat, die durch (π τc)&supmin;¹ gegeben ist, ist die Selbst-Kohrenz-Funktion folglich Gu (t) = eLtL/hc. Wenn die Sensor- und Empfängerfehlanpassung T viel größer als die Kohärenzlänge τc gewählt wird, bedeutet dieses, daß dann Γu (T) und Γu (2T) vernachlässigbar klein werden, so daß
< P(t) > = (P&sub0;/8)[2+cos(Φs-Φr)] (19)
Somit ist die empfangene Leistung gegeben durch einen Mittelwert gleich einem Viertel der Eingangsleistung zusammen mit einer Modulation, die von der Signalphase Φs-Φr abhängt. Die Modulationstiefe beträgt nur 50%, da nur zwei der vier Bahnen von der Quelle zu dem Detektor interferieren. Die anderen zwei Bahnen addieren sich lediglich zu der mittleren empfangenen Leistung. Insbesondere interferiert das optische Signal, das die durch die Arme 410 und 426 definierte Bahn durchläuft, mit dem Signal, das die Bahn durchläuft, die die Arme 409 und 428 aufweist. Umgekehrt interferieren die Signale nicht, die die Bahn durchlaufen, die die Arme 409 und 426 aufweist, sowie die Bahn, die die Arme 410 und 428 aufweist.
Wenn der erwartete Wert von < P(t)> verwendet wird, um das erfaßte Signal zu erhalten, ist das Inkohärenzrauschen P(t)-< P(t)> ausgemittelt worden, das in der Praxis vorhanden ist. Wenn man annimmt, daß das Licht an dem Ausgang der Lichtquelle eine zufällige Phase hat, die als ein stochastischer Wiener-Levy-Prozess geformt sein kann, zusammen mit einem vernachlässigbaren Intensitätsrauschen, kann man zeigen, daß die zweiseitige Leistungsspektraldichte (two-sided power spectral density) des Inkohärenzrauschens gegeben ist durch
wobei die Signalphase Φs-Φr gemittelt sein muß, da sie jetzt als eine stochastische Größe behandelt wird. Somit ist das Spektrum des Inkohärenzrauschens charakterisiert durch eine Lorentz-Hüllkurve mit einer Breite, die gleich dem Zweifachen der Quellenlinienbreite ist, und einer Höhe, die von der Signalphase abhängt. Innerhalb der Hüllkurve befindet sich eine kosinusförmige Modulation, die den Höchstwert bei einer Frequenz Null erreicht und eine Periode von 1/T hat. Wenn man eine Leistung P&sub0;/4 in ein einziges, stark fehlerhaft angepaßtes Mach-Zehnder-Interferometer einspeisen würde, wäre zum Vergleich die Leistungsspektraldichte des Inkohärenzrauschens (incoherence noise power spectral density)
Diese Normalisierung ist günstig, da sie es außerdem gestattet, daß dieser Ausdruck so interpretiert wird, daß er die Leistungsspektraldichte des Inkohärenzrauschens wiedergibt, die resultiert, wenn die Polarisationen in dem seriellen Einzelsensorsystem so eingestellt sind, daß nur zwei Paare von Bahnen inkohärent interferieren können. Ein Vergleich der zwei Ausdrücke für GN(f) ergibt, daß der modulierte signalabhängige Teil des Spektrums in dem Doppel-Mach-Zehnder-Fall aus einer Interferenz zwischen den signalleitenden Bahnen und den anderen zwei Bahnen resultiert, während der unmodulierte Teil des Spektrums aus einer Interferenz zwischen den zwei Bahnen resultiert, die nicht zu dem Signal beitragen.

5. Die Grenze der Systemempfindlichkeit aufgrund des Inkohärenz-Rauschens

Da das Inhohärenzrauschen der dominante Rauschtyp in Kohärenz-Multiplex-Systemen mit einer relativ kleinen Anzahl von Sensoren ist, gestattet es die Kenntnis des Inkohärenz- Rauschspektrums, die Phasenempfindlichkeit eines Sensor/Empfänger-Paars vorherzusagen. Bevor dieses jedoch durchgeführt werden kann, muß man das System weiter spezifizieren, da im allgemeinen sowohl die Kleinsignal-Phasenempfindlichkeit als auch das Rauschniveau von der Phase des Systems abhängen, die eine konstante Veränderung aufgrund eines Umgebungsrauschens mit niedriger Frequenz erfährt.
Dieses Signal-Fading ist ein charakteristisches Problem - bei allen Sensoren des Mach- Zehnder-Typs, und kohärenzgemultiplexte Sensoren sind diesem gegenüber genauso empfindlich, wie andere Phasensensoren. Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, das Signal durch Einsetzten eines Frequenzverschiebers in einen Arm des Empfängers in der Weise zu überlagern (heterodyne), wie es zuvor unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beschrieben wurde. In diesem Fall nimmt die Phase Φs-Φr folgende Form an:
Φe + 2πfh t + ΔΦa sin2πfa t (22)
wobei Φe eine sich langsam verändernde Umgebungsphasenvorspannung ist, fh die Heterodyne-Frequenz ist, und ΔΦa sin 2πfa t ist das von dem Sensor erfaßte akustische Signal. Wenn ΔΦa klein ist, hat das überlagerte (heterodyned) Signal ein Leistungsspektrum, das gegeben ist durch
wobei δ(.) die Dirac-Delta-Funktion angibt. Durch Vergleich mit der Rauschleistungsspektraldichte (noise power spectral density) GN (f) und unter Verwendung von < cos(Φs-Φr)> = 0 und fa, fh « 1/T ergibt sich
(ΔΦa)S/N=1 = 6 2Bτc (24)
wobei (ΔΦa)S/N=1 die Größe von ΔΦa ist, für die die Signal- und Rauschniveaus gleich sind, und wobei B die Bandbreite der Erfassungselektronik ist.

Die Pseudo-Heterodyne-Technik zur Verhinderung eines Signal-Fadings

Während eine herkömmliche Überlagerung (heterodyning) ein Verfahren zur Vermeidung eines Signal-Fadings und zur Unterscheidung zwischen Signalen in dem erwünschten Frequenzbereich und Umgebungseffekten mit niedrigerer Frequenz schafft, hat dieser Lösungsvorschlag den Nachteil, daß Frequenzverschieber benötigt werden, die häufig Einrichtungen für die Bulk-Optik aufweisen. Derartige Einrichtungen können voluminös sein, den Systemverlust steigern, den Wirkungsgrad verschlechtern, und sie können teuer sein. Dieses ist kein wesentliches Problem für das parallele System, wie es beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, da nur ein einziger Frequenzverschieber nötig wäre, um alle Signale zu überlagern, der an dem Anfang der abgezweigten Verzögerungsleitung 106 angeordnet ist. Um jedoch alle Signale in dem Seriensystem aus Fig. 7 zu überlagern, wäre ein Frequenzverschieber in einem Arm jedes Empfängers nötig. Dieses könnte sehr teuer werden, zusätzlich zu den Problemen steigender Systemgröße und Wirkungslosigkeit.
Ein leichteres und billigeres Verfahren zur Vermeidung eines Signal-Fadings ist eine Pseudo-Heterodyne-Technik, die keine Bulk-Optik-Einrichtungen in der optischen Bahn des Sensorsystems benötigt. Die Technik wird in Verbindung mit ihrer Anwendung in einem faseroptischen Gyroskop beschrieben in B. Y. Kim und H. J. Shaw, "Phase-Reading All- Fiber-Optic Gyroscope", Optical Letters, Vol. 9, Seite 378, 1984. Die Technik ist außerdem in Verbindung mit ihrer Anwendung in einem faseroptischen Gyroskop in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 603,630 offenbart, mit dem Titel "Phase Reading Fiber-Optic Rotation Sensor", eingereicht am 25. April 1984, die an den Rechtsnachfolger dieser vorliegenden Anmeldung übertragen ist.
Die Anwendung der Technik auf den verteilten Sensor der Erfindung kann unter Bezugnahme auf Fig. 16 beschrieben werden. Das Sensorsystem aus Fig. 16 ist ein vereinfachtes, dem System aus Fig. 15 entsprechendes Seriensystem, das für Diskussionszwecke dargestellt ist. Es versteht sich, daß zusätzliche Sensoren und Empfänger in das System aufgenommen werden können, um Konfigurationen wie die in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellten zu bilden. Aufgrund seiner Ähnlichkeit mit dem System aus Fig. 15 sind die entsprechenden Elemente des Systems in Fig. 16 in Übereinstimmung mit der Numerierung der Fig. 15 bezeichnet, abgesehen davon, daß bestimmte Elemente unterschiedlich sind.
Insbesondere weist das System aus Fig. 16 einen Polarisationsregler 551 in dem Arm 410 des Sensors 404 auf. Der Regler 551 wirkt derart, daß er die richtige Polarisationsbeziehung der optischen Signale aufrechterhält, die durch den Regler laufen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Polarisationsreglers zur Verwendung in der Erfindung wird hier im folgenden beschrieben.
Der Arm 410 ist über den Koppler 407 an eine optische Faser 552 angeschlossen, die dann über den Koppler 422 an einen Arm 554 des Empfängerinterferometers angeschlossen ist. In dem Arm 428 des Empfängers 418 ist ein weiterer Polarisationsregler 557 angeordnet, um die Polarisation des Lichts aufrechtzuerhalten, das sich in dem Arm 428 ausbreitet. Zusätzlich ist ein Phasenmodulator 558 in optischer Verbindung mit dem Arm 428 des Empfängers 418 angeordnet. Der Phasenmodulator 558 wird durch einen Anschluß an einen Signalgenerator 550 gesteuert, der ein sinusförmiges Signal bei einer Modulationsfrequenz fm erzeugt. Der Signalgenerator 550 ist außerdem an eine Gatterschaltung 556 angeschlossen, um das Gatter bei der Erzeugung eines Rechteckwellensignals auf einer periodischen Basis zu steuern. Das Gatter 556 ist an einen AC-Verstärker 553 angeschlossen, der wiederum an einen Detektor 434 angeschlossen ist, um optische Signale von dem Detektor 434 zur weiteren Verarbeitung in dem Gatter 556 zu empfangen und zu verstärken, wie es unten diskutiert wird. Der Ausgang des Gatters 556 ist elektronisch an einen Spektralanalysator 560 angeschlossen, der dazu verwendet wird, Seitenbänder um eine Oberschwingung der Modulationsfrequenz zu identifizieren, um die Phasenverschiebung in dem Sensor 404 bei einer bestimmten Frequenz zu überwachen.
In dem System der Fig. 16 laufen und interferieren die optischen Signale in der zuvor mit bezug auf die Fig. 7 und 15 beschriebenen Weise, außer wenn es unten anders angegeben wird. Insbesondere wird das Licht in dem Arm 428 von dem Phasenmodulator 558 phasenmoduliert, der bei einer Modulationsfrequenz betrieben wird, die der Betriebsfrequenz des Generators 550 entspricht. Als Ergebnis ist die Intensität des Ausgangssignals von dem Koppler 424, das von dem Detektor 434 empfangen wird, moduliert, und das resultierende elektrische Ausgangssignal von dem Detektor 434 enthält Komponenten bei der Fasermodulationsfrequenz fm und deren Oberschwingungen, wie es durch die folgende Gleichung angegeben wird:
wobei:
C eine Konstante ist;
Jn die Bessel-Funktion n-ter Ordnung bezeichnet;
ΔΦm ist die Amplitude der Phasenmodulation zwischen den Lichtwellen in den Armen 428 und 554 aufgrund des Phasenmodulators 558;
ωm = 2πfm;
ΔΦa ist die Amplitude der Phasendifferenz zwischen den Lichtwellen in den Armen 428 und 554, die durch externe akustische Signale erzeugt wird;
ωat = 2πfa; und
ΔΦe ist die Amplitude der Phasendifferenz zwischen den Lichtwellen in den Armen 428 und 554, die durch langsame Veränderungen der Umgebung bewirkt wird.
Gleichung (25) gibt an, daß das Ausgangssignal des Detektors 434 Terme aufweist wie cos (ΔΦa sin ωa t + ΔΦe) und sin (ΔΦa sin ωa t + ΔΦe). Diese Kosinus- und Sinuselemente haben jedoch unterschiedliche Frequenzen. Wenn diese Signale die gleiche Frequenz hätten, wobei ihre Phasen um 90º verschoben sind, könnten bekannte trigonometrische Regeln angewendet werden, so daß die Signale direkt addiert werden könnten, um ein einziges sinusförmiges Signal niedriger Frequenz zu erhalten, dessen Phase (ΔΦa sin ωa + ΔΦe) entspricht. Eine derartige Beziehung kann in dem System der Fig. 16 durch die Verwendung einer Amplitudenmodulation erreicht werden. Eine Amplitudenmodulation beinhaltet einfach, daß die Amplitude des elektrischen Ausgangssignals von dem Detektor 434 in Übereinstimmung mit der Amplitude eines Modulationssignals variiert wird.
Wenn das Ausgangssignal von dem Detektor 434 durch ein Modulationssignal amplitudenmoduliert ist, das eine Frequenz hat, die ein ungerades Vielfaches der Phasenmodulationsfrequenz (fm) ist, (die auch die Differenzfrequenz zwischen benachbarten Oberschwingungen ist), wird jede Komponente des Ausgangssignals von dem Detektor 434, die eine Harmonische von fm ist, teilweise in die Frequenzen ihrer harmonischen Nachbarn übertragen. Mit anderen Worten werden durch eine Amplitudenmodulation in dieser Weise Seitenbandfrequenzen bei Oberschwingungen der Phasenmodulationsfrequenz erzeugt. Die Seitenbandfrequenzen werden mit der Komponente des Ausgangssignals bei der entsprechenden Frequenz vereinigt, und sie werden durch die Verwendung eines Spektralanalysators leicht identifiziert.
Diese und andere Eigenschaften der Amplitudenmodulation sind dem Fachmann im allgemeinen bekannt, und sie werden im Detail beschrieben in F. G. Stremler, "Introduction To Communication Systems", Addison-Wesley, 1979, was durch Bezugnahme darauf hier aufgenommen wird. Der Inhalt mit besonderer Relevanz für diesen Punkt befindet sich auf den Seiten 191 bis 260 des Textes von Stremler.
Auf der Grundlage des oben Gesagten erkennt man, daß eine sinusförmige Amplitudenmodulation bei einer Frequenz fm Energie aus jeder harmonischen Frequenzkomponente hinaus und in die nächstgelegenen harmonischen Frequenznachbarn hinein überträgt. Um eine Interferenz bei dem vorliegenden Sensorsystem zu vermeiden, ist es erwünscht, daß fm viel größer ist als fa (die Frequenz akustischer Signale, die erfaßt werden).
Im Betrieb wird das optische Signal in dem Arm 428 des Empfängers 418 bei einer Frequenz amplitudenmoduliert, die durch den Frequenzgenerator 550 gesteuert wird. Wie oben angegeben wurde, wird die Frequenz des Generators 550 so gewählt, daß fm (die Modulationsfrequenz) viel größer ist als die akustische Frequenz (fa). Das Signal von dem Arm 428 tritt durch den Koppler 424, wo es mit dem Signal von dem Arm 554 gemischt wird, wobei aufgrund der Phasendifferenz, die an den Detektor 434 geleitet wird, ein intensitätsmoduliertes Signal erzeugt wird. Von dem Detektor 434 wird das intensitätsmodulierte Signal aufgrund der Phasendifferenz durch einen Verstärker 553 geleitet, wo das Signal verstärkt und dann an ein elektronisches Gatter 556 übertragen wird.
Das Gatter 556 arbeitet in Reaktion auf ein auf der Leitung 555 von dem Frequenzgenerator 550 empfangenes Signal, wodurch bewirkt wird, daß das Gatter 556 eine Rechteckwellen- Amplitudenmodulation des von dem Verstärker 553 empfangenen Signals erzeugt. Wenn es bei der richtigen Phase bezüglich des AC-Detektorstroms moduliert wird, und mit der richtigen Wahl für ΔΦm, kann das amplitudenmodulierte Signal dieses Ausführungsbeispiels definiert werden als cos (n ωm t-(ΔΦa sinωa t + ΔΦe )).
Mit Bezug auf die richtige Phase und Amplitude für die Modulation wird bemerkt, daß aufgrund der trigonometrischen Beziehungen zwischen den Wellenformen in dem Koppler 424 eine Amplitudenmodulation bei geraden Harmonischen (bzw. Oberschwingungen) von fm keine Kopplung zwischen benachbarten harmonischen Frequenzen erzeugen würde. Eine Amplitudenmodulation bei geraden Oberschwingungen von fm würde vielmehr darin resultieren, daß die geraden Oberschwingungen mit geraden Oberschwingungen und die ungeraden Oberschwingungen mit ungeraden Oberschwingungen koppeln. Diese Situation ist dem Fachmann im allgemeinen klar, und die Grundlage für diese Bedingung wird durch Bezugnahme auf den Text von Stremler verständlicher, der hier eingeführt worden ist. Diese Probleme werden vermieden, wenn eine Amplitudenmodulation bei den ungeraden Oberschwingungen verwendet wird.
Das Ausgangssignal von dem Gatter 556 wird über die Leitung 568 an einen Spektralanalysator 560 für eine Weiterverarbeitung übertragen. Es ist zu beachten, daß Spektralanalysatoren 560 einen Bandpaßfilter zur Auswahl und Analyse bestimmter Komponenten der Signale aufweisen. Wenn ein derartiger Bandpaßfilter, zentriert um 2 ωm, an dem Ausgang des Gatters angeordnet wird, und wenn die Amplitude der Phasenmodulation ΔΦm geeignet gewählt wird, läßt der Filter ein Signal folgender Form durch:
wobei k eine Konstante ist, die die Identifikation und Auswertung von Phasenverschiebungen nicht beeinflußt, die bei bestimmten Frequenzen in dem Sensor auftreten.
Indem das demodulierte Signal von dem Gatter 556 in den Spektralanalysator 560 eingespeist wird, kann die Höhe der Seitenbänder der Bessel-Funktion um die zweite Oberschwingung der Modulationsfrequenz herum durch die Anwendung von Techniken gemessen werden, die in der Technologie bekannt sind, um die Phasenverschiebung in dem Sensor bei einer bestimmten Frequenz zu bewirken. Für ein kompliziertes Signal kann alternativ ein FM- Demodulator verwendet werden. In diesem Fall wäre das gemessene Signal die Ableitung der Phase anstelle der tatsächlichen Phase, oder alternativ kann ein Integrator verwendet werden, um ein gemessenes Signal zu erzeugen, das die tatsächliche Phase repräsentiert.
Wahlweise kann die Gatterbildung (gating) in dem System der Fig. 16 optisch anstatt elektrisch durchgeführt werden, indem mindestens ein optisches Gatter, wie beispielsweise ein Verschluß (shutter), verwendet wird, der zwischen dem Koppler 424 und dem Detektor 434 oder auf jeder Faser in dem System angeordnet ist, die eine optische Bahn bildet, in der alle Lichtsignale laufen, wie beispielsweise die Faser 402 oder die optische Faser 552. Wenn das Gatter entfernt von dem Detektor 434 angeordnet wäre, sollte das Gatter durch ein Verzögerungssignal bei einer Frequenz fm 50 gesteuert werden, daß das Licht, das sich innerhalb des Systems ausbreitet, bei der Frequenz fm amplitudenmoduliert wäre, in geeigneter Phase mit dem entfernten Gatter. In allen anderen Beziehungen würde die Verwendung optischer Gattereinrichtungen (optical gating) ein Ergebnis liefern, das im wesentlichen dem in Verbindung mit den elektrischen Gattereinrichtungen (electrical gating) beschriebenen identisch ist.
Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 16 wurde aufgebaut und getestet, um seine Leistung auszuwerten. In diesem Ausführungsbeispiel war die Lichtquelle 100 im wesentlich eine Einzelmoden-Laserdiode, die ein Licht von 790 nm emittiert. Alle optischen Fasern in dem System waren ITT-1601-Fasern, die für eine Verwendung bei 633 nm ausgelegt sind, aber einen Einzelwellentyp auch bei 790 nm führen. Die Differenz der Armlängen in jedem individuellen Interferometer war ungefähr 21 m, während die differentiellen Längen der zwei Interferometer 404 und 418 auf unter 8 cm abgestimmt wurden, indem Impulse von 120 psec (FWHM) verwendet wurden, um die Reaktion der Delta-Funktion jedes Interferometers getrennt zu prüfen.
Die Kohärenzlänge der Lichtquelle 100 wurde auf ungefähr 4,5 m in der Faser bestimmt. Die Richtungskoppler sowie die Phasenmodulatoren hatten die hier zuvor beschriebenen Typen. Die Polarisationsregler entsprachen den hier im folgenden beschriebenen. Ein Polarisationsregler 757 hat es ermöglicht, daß die Polarisationen der zwei Bahnen, die die interferierenden Signale führen (die Bahn, die durch die Arme 410 und 554 festgelegt ist, und die Bahn, die durch die Arme 409 und 428 festgelegt ist), so ausgerichtet sind, daß die Modulationstiefe maximal wurde. Der andere Polarisationsregler 551 hat es ermöglicht, daß die kürzesten und die längsten Bahnen (die Bahn durch die Arme 409 und 554, bzw. die Bahn durch die Arme 410 und 428) zu beiden entweder parallel oder senkrecht zu den Bahnen gemacht werden konnten, die die interferierenden Signale führen.
Die Kopplungsverhältnisse der optischen Koppler wurden durch die Verwendung der Impulsreaktion des Systems bestimmt, wobei eine optimale Reaktion ein Verhältnis der Impulse von 1:2:1 ist, so daß die Leistung von allen vier Bahnen gleich war.
Das Licht wurde in dem Koppler 408 an der an dem Ende angeschlossenen Öffnung erfaßt. Durch eine Drehung der Ausrichtung des Polarisationsreglers 551 wurde das Inkohärenzrauschen an dieser Öffnung um ungefähr 20 bis 30 dB bei einer gegebenen Frequenz reduziert.
Das an dem Ausgang des Systems gemessene Inkohärenz-Rauschen hat ein kosinusförmiges Spektrum erzeugt, wobei die Minima etwa alle 10 MHz auftraten. Die Periodizität entsprach der Zeitverzögerung der Interferometer 404 und 418, die bei ungefähr 105 msec lag. Bei akustischen Frequenzen war das Spektrum des Rauschens relativ flach und hatte seinen maximalen Wert.
Es wurde festgestellt, daß das Inkohärenz-Rauschen minimiert wurde, wenn die Bahnen, die nicht zu den interferierenden Signalen beitragen, orthogonal zu den interferierenden Signalbahnen eingestellt wurden, während das Rauschen maximal wurde, wenn alle Bahnen parallel waren.
Das geometrische Mittel der minimalen erfaßbaren Phasenmodulationsamplitude bei minimiertem Inkohärenz-Rauschen lag bei 1,2 mrad/ Hz. Wenn das Inkohärenz-Rauschen in dem Sensor 404 maximal gemacht wurde, ging die minimale meßbare, akustisch bewirkte Phasendifferenz (ΔΦa) auf einen Mittelwert von 4,1 mrad/ Hz. Das Verhältnis der maximierten und der minimierten minimalen erfaßbaren Phasenmodulationen war 3,4.

Die Polarisationsregler 551, 557

Eine zur Verwendung in dem Sensorsystem der Erfindung, wie beispielsweise dem Ausführungsbeispiel der Fig. 16, geeignete Art eines Polarisationsreglers ist in Fig. 17 dargestellt. Der Regler hat ein Grundteil 570, auf dem mehrere aufrechte Blöcke 572a bis 572d montiert sind. Zwischen benachbarten Blöcken 572 sind Spulen (spools) 574a bis 574c tangential auf Wellen 576a bis 576c montiert. Die Wellen 576 sind axial miteinander ausgerichtet und zwischen den Blöcken 572 drehbar angebracht. Die Spulen 574 sind im allgemeinen zylindrisch und tangential zu den Wellen 576 angeordnet.
Ein Abschnitt aus optischer Faser 410 erstreckt sich durch axiale Bohrungen in den Wellen 576 und ist um jede der Spulen 574 herumgewickelt, um drei Wicklungen (coils) 578a bis 578c zu bilden. Die Radien der Wicklungen 578 sind so gewählt, daß die Faser 410 gespannt wird, um ein doppelbrechendes Medium in jeder der Wicklungen 578 zu bilden. Die drei Wicklungen 578a bis 578c können unabhängig voneinander um die Achse der Wellen 574a bis 574c gedreht werden, um die Doppelbrechung der Faser 410 einzustellen und damit die Polarisation des Lichts zu steuern, das durch die Faser 410 hindurchtritt.
Der Durchmesser und die Anzahl der Umläufe in den Wicklungen 578 sind so gewählt, daß die äußeren Wicklungen 578a und 578c eine räumliche Verzögerung von einer viertel Wellenlänge bilden, während die mittlere Wicklung 578b eine räumliche Verzögerung von einer halben Wellenlänge bildet. Die Wicklungen 578a und 578c der Viertel-Wellenlänge steuern die Elliptizität der Polarisation, und die Wicklung 578b der halben Wellenlänge steuert die Richtung der Polarisation. Somit wird ein vollständiger Bereich der Einstellung der Polarisation des Lichts geschaffen, das sich durch die Faser 410 ausbreitet.
Es versteht sich jedoch, daß der Polarisationsregler modifiziert werden kann, um nur die zwei Wicklungen 578a und 578c der Viertel-Wellenlänge zu bilden, da die Richtung der Polarisation (die anderenfalls durch die mittlere Wicklung 578b gebildet wird) indirekt durch eine geeignete Einstellung der Elliptizität der Polarisation mittels der zwei Wicklungen 578a und 578c der Viertel-Wellenlänge gesteuert werden kann. Dementsprechend sind die Polarisationsregler 551 und 557 in Fig. 16 so dargestellt, daß sie nur die zwei Wicklungen 578a und 578c der Viertel-Wellenlänge aufweisen. Da diese Konfiguration die gesamte Größe der Regler 551 und 557 reduziert, kann sie für bestimmte Anwendungen der Erfindung vorteilhaft sein, die räumlich begrenzt sind.
Die Polarisationsregler 551 und 557 bilden somit Einrichtungen zur Erzeugung, Aufrechterhaltung und Steuerung der Polarisation des Lichts innerhalb des Arms 410 des Sensors 404 und des Arms 428 des Empfängers 418.

Faseroptische variable Verzögerungsleitung

Eine faseroptische Ausführungsform der variablen Verzögerungsleitung, wie beispielsweise 254 aus Fig. 4 und 318 aus Fig. 5, kann am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 18 bis 25 beschrieben werden. Fig. 18 zeigt mehrere optische Fasern 584, die auf einem Chip 586 mit individuellen V-Nuten (nicht dargestellt) angebracht sind, die sich in Längsrichtung entlang der Oberfläche des Chips erstrecken, um jede optische Faser 584 aufzunehmen. Durch gleichzeitiges Polieren der Fasern und des Chips 586 sind Abgriffsstellen (taps) gebildet, so daß jede der optischen Fasern 584 an einer seitlichen Linie 585 abgegriffen wird (tapped).
Die optischen Abgriffsstellen sind auf den Fasern 584 ausgebildet, indem sie in einer gekrümmten Konfiguration so angebracht werden, daß der betreffende Abschnitt der optischen Fasern 584 geläppt werden kann. Der Siliziumchip 586 ist auf einem Quarzblock 580 montiert, der eine gekrümmte obere Oberfläche 582 hat. Nach der Positionierung der Fasern in den V-Nuten und ihrer Befestigung innerhalb der Nuten, werden die oberen Oberflächen der optischen Fasern 584 an der Querlinie 585 geläppt. Dieser Läppungsvorgang entfernt einen Teil der Ummantelung von der Faser, obwohl nicht das gesamte Ummantelungsmaterial um den Kern der optischen Faser 584 entfernt wird. Der Abstand zwischen dem Kern der Faser und der geläppten Oberfläche hängt von den Eigenschaften des Kopplers ab, der gebildet werden soll, um geeignete Wechselwirkungsbereiche zur Kopplung der Lichtwellen zu definieren.
Die obere Hälfte der Verzögerungsleitung ist aus einem Quarzblock 591 gebildet, der eine Nut 593 des Typs aufweist, der in dem optischen Standardkoppler verwendet wird, der in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde. Die Nut 593 hat einen relativ großen Krümmungsradius, der einen Höchstwert in der Mitte des Substrats 591 hat. Eine optische Faser 595 ist innerhalb der Nut 593 angeordnet und durch Epoxy oder irgendeinen anderen geeigneten Klebstoff befestigt. Diese Faser wird dann an dem höchsten Punkt der Krümmung entlang der Oberfläche des Quarzblocks 591 geläppt, um eine ebene Oberfläche der Ummantelung zu bilden, die wenige Mikrometer von dem Kern der Faser getrennt ist und die koplanar mit der Oberfläche des Quarzblocks 591 ist.
Ein Öl zur Anpassung des Index wird auf der polierten flachen Oberfläche 82 des Siliziumsubstrats 66 angebracht. In diesem Fall hat das Öl zur Anpassung des Index vorzugsweise einen etwas niedrigeren Brechungsindex als die Faserelemente 584 und die Faserkerne selbst, um einen Verlust von Licht außerhalb des Kopplungsbereichs zu verhindern.
Um eine kontinuierliche variable Verzögerungsleitung für mindestens einen kleinen Verzögerungsbereich zu bilden, muß der Krümmungsradius des ersten Substrats 596 wesentlich größer als der Krümmungsradius des zweiten Substrats 591 sein. So kann beispielsweise das zweite Substrat 591 mit der einzigen Faser 595 einen Krümmungsradius von ungefähr 25 cm haben. Wenn die Faser 595 geläppt und poliert ist, hat sie eine Länge des Wechselwirkungsbereichs von ungefähr 1 mm. Der Krümmungsradius des ersten Substrats 586 kann beispielsweise ungefähr 50 cm sein. Wenn das erste Substrat 596 geläppt und poliert ist, ist der Wechselwirkungsbereich wesentlich länger als der Wechselwirkungsbereich des zweiten Substrats. Wenn die Faser 595 des zweiten Substrats 591 mit irgendeiner der Faserschleifen 584 in dem Wechselwirkungsbereich des ersten Substrats 596 ausgerichtet ist, kann diese Faser 595 des zweiten Substrats somit entlang der Länge des Wechselwirkungsbereichs des ersten Substrats justiert werden.
Diese Bewegung entlang der Länge wirkt effektiv dahingehend, daß die Länge verändert wird, durch die sich das Licht ausbreitet, und sie schafft somit eine kontinuierlich variable Verzögerung.
Man erkennt natürlich, daß die Faser 595 durch eine seitliche Einstellung des Substrats 591 mit irgendeiner der Schleifen der Faser 584 gekoppelt werden kann. Durch eine Bewegung des Substrats 591 können somit verschiedene Verzögerungswerte erzielt werden, wodurch eine diskret variable Verzögerungsleitung geschaffen wird. Obwohl Fig. 18 die kontinuierlich variable Verzögerungsleitung als Teil eines diskret variablen Verzögerungsleitungselements zeigt, kann die kontinuierlich variable Verzögerungsleitung auch hergestellt werden, indem nur eine einzige V-Nut und Faser mit einem großen Krümmungsradius auf dem ersten Substrat 586 verwendet wird.
Fig. 19 zeigt eine Seitenansicht der kontinuierlich variablen faseroptischen Verzögerungsleitung. In dieser Ansicht wird der Unterschied der Krümmungsradien zwischen dem ersten Substrat 586 und dem zweiten Substrat 591 deutlich. Aus dieser Zeichnung ergibt sich außerdem, daß, während das zweite Substrat 591 in Längsrichtung entlang des ersten Substrats 586 bewegt wird, während die Kopplung mit der Faser 584 in dem ersten Substrat 586 aufrechterhalten wird, der Abstand zwischen den Kernen der Fasern 595 und 584 etwas variiert, da der Kern der Faser 584 leicht gekrümmt ist. Dieser Unterschied im Abstand bewirkt einen gewissen Unterschied in der Kopplung. Für viele Anwendungen ist der Unterschied in der Kopplung unbedeutend. Wenn es jedoch unbedingt erforderlich ist, daß die Kopplung für alle Verzögerungen identisch ist, kann der Betrag der Kopplung nach Bedarf verändert werden, indem das zweite Substrat 591 seitlich bezüglich des ersten Substrats 586 bewegt wird. Wie es zuvor erwähnt wurde, bewirkt diese Bewegung eine Veränderung der Kopplung zwischen den zwei Fasern 595 und 584.
Fig. 20 zeigt eine Befestigungsvorrichtung, die eine genaue Justierung des oberen Substrats 591 bezüglich des unteren Substrats 586 gestattet, um die notwendige relative Bewegung zwischen diesen Substraten zu schaffen. Eine seitliche und winkelige Bewegung wird durch eine Befestigung des Quarzblocks 580 in einer unteren Mulde bewerkstelligt, die durch ein Paar Wände 602 und 604 eines Rahmens 606 gebildet wird. Die Wand 604 ist in der Höhe etwas niedriger als die Kante des Blocks 580 der Verzögerungsleitung. Ein Paar Vorsprünge 608 oberhalb der Wände 602 und 604 sind breit genug, um es zu gestatten, daß sich mindestens die halbe Breite des Substrats 591 über sie verschiebt. Eine obere Wand 610 trägt zwei Federelemente 612, die das obere Substrat 591 unter Vorspannung von der Wand 610 weghalten.
Ein Paar Mikrometer-Einstellvorrichtungen 614 und 616 sind in dem Rahmen 606 montiert. Die Mikrometer-Einstellvorrichtung 614 wirkt auf das obere Substrat 591 der variablen Verzögerungsleitung gegen eine Feder 612 und wird eingestellt, um die optische Kopplung von einer Faser auf eine andere der Fasern 584 zu verändern. Die Mikrometer-Einstellvorrichtung 614 ist zentral an der Seite des Substrats 591 angeordnet, um diese seitliche Einstellung ohne Drehung des Substrats 591 zu gestatten. Die Mikrometer-Einstelleinrichtung 616 ist versetzt an dem oberen Substrat 591 angeordnet, so daß sie dazu verwendet werden kann, die Winkelausrichtung des oberen Substrats 591 bezüglich des unteren Substrats 580 einzustellen.
Um eine Längsbewegung des Substrats 591 bezüglich des Substrats 586 zu erhalten, wird das Substrat 586 in Längsrichtung durch Stifte, wie den Stift 628, an seinem Platz gehalten. Das Substrat 591 wird in Längsrichtung über das Substrat 586 bewegt, indem ein Knopf 630 gedreht wird. Der Knopf 630 ist mechanisch an Blöcke 632 und 634 gekoppelt, um diese nach Bedarf übereinstimmend in Längsrichtung über einen Block 636 zu bewegen. Die Blöcke 632, 634 und 636 weisen Schwalbenschwanzverbindungen 638, um die Ausrichtung dieser Elemente während einer derartigen Justierung aufrechtzuerhalten. Wenn die Blöcke 632 und 634 bewegt werden, wirkt der Druck der Mikrometer-Einstelleinrichtungen 614, 616 und der Feder 612 auf das zweite Substrat 591, um dieses Substrat 591 so zu halten, daß es entlang der Blöcke 632 und 634 bewegt wird.
Die Fig. 21 bis 23 zeigen eine kontinuierlich variable Verzögerungsleitung, bei der der Krümmungsradius des ersten Substrats 586 unendlich groß ist (d. h. ein Abschnitt des Substrats 586 ist flach). Obwohl dieses etwas schwieriger zu konstruieren ist, beseitigt die Anordnung der Faser 584 in einer flachen Silizium-V-Nut Veränderungen der Kopplung zwischen den Fasern 595 und 584 entlang der Länge der Faser 584. Wenn das zweite Substrat 595 über das flache Substrat 586 bewegt wird, bleibt der Abstand zwischen den Kernen der Fasern 591 und 584 somit konstant.
Die Fig. 22 und 23 zeigen eine maximale bzw. eine minimale Verzögerung für diese Vorrichtung. Die Einrichtung zur Bewegung des zweiten Substrats 591 bezüglich des ersten Substrats 586 ist eine Mikrometer-Einstelleinrichtung 642. Diese Mikrometer-Einstelleinrichtung 642 sowie die Einrichtungen zur Bewegungen der Substrate im Verhältnis zueinander, wie es in Fig. 21 dargestellt ist, können in jeder bekannten Weise motorisiert oder angetrieben sein.
Die Fig. 24 und 25 zeigen zwei Anordnungen zur Erzielung eines großen Bereichs kontinuierlich variabler Verzögerung, wobei eine Kombination aus einem diskret variablen Verzögerungselement und einem kontinuierlich variablen Verzögerungselement verwendet wird. In Fig. 24 ist das erste Element in der Verzögerungsleitung eine diskret variable Verzögerung, in der die Verzögerung jeder Schleife gleich T ist. In Serie mit dieser diskret variablen Verzögerung befindet sich eine kontinuierlich variable Verzögerungsleitung, bei der die variable Verzögerung von O bis T geht. Die kontinuierlich variable Verzögerung kann durch eine Kombination mehrerer kontinuierlich variabler Verzögerungselemente gebildet werden, die kürzere Perioden einer Verzögerung in Serie miteinander bilden, bis sie eine gesamte kontinuierliche Verzögerung gleich T bilden.
Fig. 25 ist ein Beispiel dafür, wie die Kombination der diskreten und variablen Verzögerung aus Fig. 18 in Serie mit einer diskret variablen Verzögerung verwendet werden kann, um eine kontinuierlich variable Verzögerung über einen großen Bereich von Zeitperioden zu bilden. Die Kombinationseinrichtung hätte eine diskret variable Verzögerung, bei der die Verzögerung jeder Schleife T ist. Die kontinuierliche Verzögerung der Kombinationseinrichtung wäre von 0 bis T/4. Die diskret variable Verzögerungsleitung, die in Serie mit der Kombinationsverzögerungsleitung angeordnet ist, würde eine Schleifenverzögerung von T/8 haben. Dieses würde dahingehend wirken, eine kontinuierlich variable Verzögerungsleitung über eine Verzögerungsperiode gleich N·T zu schaffen, wobei N die Anzahl der Schleifen in der Kombinationsverzögerungseinrichtung ist.

Faseroptischer Modal-Koppler

Optische Koppler, die zur Kopplung optischer Signale zwischen Moden in einer optischen doppelbrechenden oder Zweifachmodenfaser verwendet werden können, sind offenbart in R. C. Youngquist, et al., "Two-mode Fiber Modal Coupler", Optics Letters, 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-Patentanmeldung Serial No. 556.305, eingereicht am 30. November 1983, mit dem Titel "Birefringent Fiber Narrow Band Polarization Coupler"; und US-Patentanmeldung Serial No. 556.306, eingereicht am 30. November 1983, mit dem Titel "Fiber-Optic Modal Coupler".
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Kopplers zur Bildung einer Energieübertragung zwischen der fundamentalen Mode und der Mode zweiter Ordnung in Zweifachmodenfasern, oder zwischen der X- und der Y-Polarisationsmode in einer doppelbrechenden Einzelmodenfaser, weist eine Einrichtung auf, die eine periodische Kopplung zwischen den Moden erzeugt, die zu der Schwebungslänge der Moden paßt. Diese periodische Kopplung wird durch eine periodische Deformierung der Faser erzielt. Der Koppler zur Bewerkstelligung dieser Kopplung wird unten in Verbindung mit den Fig. 26 bis 30 beschrieben.

1. Strukturelle Eigenschaften des Kopplers

Fig. 26 zeigt den Modal-Koppler in perspektivischer Ansicht. Eine polierte, flache Oberfläche 910 ist durch maschinelle Bearbeitung auf einem Metall- oder Kunststoffblock 911 gebildet. Die Oberfläche 910 sollte auch innerhalb weniger Mikrometer glatt und flach sein. Eine optische Faser 924 ist zwischen der Oberfläche 910 und der unteren Oberfläche eines zweiten Blocks 914 angeordnet, auf der maschinell ein Bereich 912 mehrerer Rippen gebildet ist. Der Rippenbereich 912 weist eine Serie rippenförmiger Kopplungselemente auf, die, wenn sie gegen die Faser 924 gedrückt werden, so daß die Faser zwischen den Blöcken 911 und 914 eingequetscht wird, dadurch die Faser in periodischen Intervallen belasten, um zu bewirken, daß Licht zwischen den Moden gekoppelt wird.
Es wird kurz auf Fig. 27 eingegangen, die einen Querschnitt des Rippenbereichs 912 zeigt, indem mehrere Rippen 916 gebildet sind. Die Rippen 916 werden durch maschinelle Bearbeitung des Blocks 914 geformt, um mit Abstand angeordnete, parallele Nuten oder Rillen 917 derart zu bilden, daß mehrere polierte Rippenoberflächen 918 gebildet werden, die jeweils Breite W haben und einen Abstand S zwischen den Kanten benachbarter Rippen schaffen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Breite W und der Abstand S jeweils eine halbe Schwebungslänge der Faser für Licht bei der speziellen Frequenz, die verwendet wird. Theoretisch kann die Breite W jeder Rippe 916 irgendein ungerades Vielfaches einer halben Schwebungslänge sein, und der Abstand S zwischen benachbarten Rippen kann irgendein ungerades Vielfaches einer halben Schwebungslänge sein.
Der Querschnitt der Nuten 917 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel rechteckig, da diese Form durch maschinelle Bearbeitung am leichtesten herzustellen ist. Diese Form ist jedoch nicht kritisch. Jede Form, die eine flache Oberfläche 918 auf den Rippen 916 liefert, ist geeignet, vorausgesetzt, daß die Höhe H der Nut 917 ausreicht, eine Belastung aufrechtzuerhalten, wenn das Material der Rippe 916 durch Krafteinwirkung auf die Faser deformiert wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Block 914 aus einem harten Kunststoff, wie beispielsweise Deltrin, hergestellt. Dieser Kunststoff verformt sich leichter als Glas und verhindert somit eine Beschädigung der Faser, wenn die Faser belastet wird. Für eine vollständige Energieübertragung ist es wichtig, daß die Rippen eine Belastung so auf die Faser aufbringen, daß abwechselnd Bereiche einer Verformung bzw. keiner Verformung in der Faser geschaffen werden. Die gesamte Länge der Vorrichtung ist nicht kritisch; in dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Länge jedoch in der Größenordnung von 2 bis 3 inch. Weiterhin wurde festgestellt, daß bei der Verwendung einer nicht-doppelbrechenden Faser eine Kraft von ungefähr 3 kg auf den Block 914 aufgebracht werden muß, um eine maximale Kopplung zu erzielen, unabhängig von der Anzahl der Rippen 916.
Es wird noch einmal Fig. 26 betrachtet, in der der Block 914 mehrere Löcher 920 hat, die in einer Anordnung mit Abstand voneinander angeordnet sind, um einen Satz Stifte 922 aufzunehmen, die von der flachen Oberfläche 910 in einer dazu passenden Anordnung vorstehen. Der Block 914 kann entlang der Stifte 922 zu der flachen Oberfläche 910 hin und von dieser weg geschoben werden. Die Stifte 922 sind so ausgerichtet und die Rippen 916 sind so orientiert, daß die Kanten der Rippen 916 quer zu der Längsachse der Faser 924 laufen, die auf der flachen Oberfläche 910 durch ein Paar Faserhalteplatten 926 gehalten wird. Somit verlaufen die Kanten der Rippen 916, die durch die Bezugsziffer 927 in Fig. 27 dargestellt sind, quer zu der Längsachse der Faser 924. Die Stifte 922 dienen außerdem dazu, ein Verschwenken des Blocks 914 zu verhindern, um zu verhindern, daß ein ungleichmäßiger Druck auf die Faser 924 aufgebracht wird.
Falls gewünscht, können die Enden der Stifte 922 mit einem Gewinde versehen sein, um entsprechende Muttern (nicht dargestellt) aufzunehmen, und entsprechende Schraubenfedern (nicht dargestellt) können zwischen den Muttern und dem oberen Block 914 angeordnet sein, um den durch die obere Platte 914 auf die Faser 924 ausgeübten Druck zu steuern.
Die Halteplatten 926 sind scheibenförmig mit einem V-förmigen Ausschnitt darin zur Aufnahme der Faser, und sie sind in entsprechenden kreisförmigen Öffnungen entsprechender Endplatten 928 angebracht, die an den Enden des Blocks 911 so befestigt sind, daß sie senkrecht zu der flachen Oberfläche 910 sind. Alternativ kann jedoch jede andere geeignete Methode zur Halterung der Faser verwendet werden.

2. Theorie des Betriebs für eine doppelbrechende Faser

Wie in Fig. 28 dargestellt ist, drückt die Einwirkung einer vertikalen Kraft F auf die Platte 914 die Rippen 916 gegen die Faser 924 und bewirkt damit, daß die Abschnitte der Faser 924 unter den Rippen 916 belastet werden. Die Rippen bewirken abrupte Veränderungen der Fasergeometrie an den Anfängen und den Enden der belasteten Bereiche. Für Erklärungszwecke können diese abrupten Veränderungen der Fasergeometrie als Grenzen 944 betrachtet werden.
Für den Betrieb der Vorrichtung ist es vorteilhaft, daß abrupte Veränderungen in der Ausrichtung der Achsen der Polarisationsmoden so bewirkt werden, daß diese Veränderungen der Ausrichtung über einen sehr kurzen Grenzbereich auftreten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden diese Grenzen 944 in Fig. 28 durch die Kanten der Kopplungsoberflächen 918 der Reliefbereiche 916 gebildet, und sie sind somit periodisch mit Abstand bei der Hälfte der Schwebungslänge angeordnet. In anderen Ausführungsformen können die Grenzen 944 mit Abstand bei ungeraden Vielfachen der halben Schwebungslänge angeordnet sein.
An jeder Grenze 944 wird Licht zwischen den Moden der Faser 924 gekoppelt. Für eine doppelbrechende Faser 924 verschieben sich die orthogonalen Polarisationsachsen X und Y (die den Polarisationsmoden X und Y entsprechen) an jeder Grenze 944 abrupt um einen Winkel R auf orthogonale Polarisationsachsen X' und Y', wie es in Fig. 29 dargestellt ist.

3. Theorie des Betriebs für eine nicht-doppelbrechende Faser

Unter Bezugnahme auf Fig. 30 ist ein Typ eines Modal-Kopplers dargestellt, der eine Zweifachmodenfaser 924 aufweist. Eine Kraft F wird auf den oberen Block 914 aufgebracht, die bewirkt, daß die Kopplungsoberflächen 918 der Rippen 916 gegen die Faser 924 drücken und die Faser asymmetrisch verformen. Die Rippen 916 bewirken Veränderungen der Fasergeometrie an dem Anfang und dem Ende jedes belasteten Bereichs 932, 936, wodurch Grenzen 944 zwischen den belasteten und unbelasteten Bereichen erzeugt werden.
Für die nicht-doppelbrechende Faser 924 wird die Mittellinie oder Längsachse 946 der Faser an jeder Grenze 944 abrupt in der Richtung der angelegten Kraft verschoben. Eine derartige abrupte Verschiebung der Faserachse 946 bewirkt, daß Licht von dem fundamentalen LP&sub0;&sub1;-Modensatz an jeder der Grenzen 944 auf den LP&sub1;&sub1;-Modensatz zweiter Ordnung gekoppelt wird. Die spezielle Mode zweiter Ordnung, an die das Licht gekoppelt wird, hängt von der Richtung der Kraft relativ zu der Polarisation des eingespeisten Lichts ab. Wenn das eingespeiste Licht in der fundamentalen Mode beispielsweise vertikal polarisiert ist, koppelt dieses Licht einzig an die vertikal-senkrechte Mode zweiter Ordnung, aber nicht an die vertikal-parallele Mode zweiter Ordnung, die horizontal-normale Mode zweiter Ordnung oder die horizontal-parallele Mode zweiter Ordnung (vgl. Fig. 11). Unter der Annahme, daß die Kraft jetzt immer noch vertikal ist, das eingespeiste Licht aber horizontal polarisiert in der fundamentalen Mode ist, koppelt dieses Licht einzig an die horizontal-parallele Mode zweiter Ordnung und nicht an irgendeine der anderen Moden zweiter Ordnung. Natürlich sind in der Technologie andere Kopplerausführungsformen zur Verwendung mit Zweifachmodenfasern bekannt, wie beispielsweise der Koppler, der in der Literaturreferenz von H. F. Taylor beschrieben wird, die vorher erwähnt wurde, und die eine Vorrichtung zur Aufbringung periodischer Biegungen auf die Zweifachmodenfaser zur Erzielung der Kopplung diskutiert.

Zusammenfassung

Zusammenfassend bildet die hier beschriebene Erfindung nicht nur eine bedeutende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bei der Überwachung von Umgebungsbedingungen an einer Vielzahl von Stellen durch die Verwendung einer optischen Quelle, die eine kurze Kohärenzlänge hat, sondern sie überwindet außerdem weitere lang bestehende Probleme auf dem Fachgebiet, indem (1) ein System geschaffen wird, das für eine kontinuierliche Erfassung aller Sensoren aus einer Vielzahl von Sensoren konfiguriert sein kann; indem (2) Konfigurationen geschaffen werden, die eine exakte Erfassung an entfernten Stellen ohne eine Umgebungsabschirmung der Leitungen gestatten; indem (3) eine Überlagerung (heterodyning) optischer Signale in einer einfachen, wirtschaftlichen und wahlweise vollständig faseroptischen Weise ermöglicht wird, die genaue und leicht analysierte Informationssignale zur Identifizierung von Umgebungseinflüssen erzeugt, die die Sensoren beeinflussen; und indem (4) die Option vollständig faseroptischer Sensorgruppierungssysteme geschaffen wird, die nicht die Verwendung von Einrichtungen für die Bulk-Optik oder von elektronischen Einrichtungen an den Sensorstellen benötigen.
Die Erfindung kann in anderen speziellen Formen verkörpert sein, ohne von ihren wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele dürfen in jedem Fall nur als erläuternd und nicht als begrenzend betrachtet werden. Der Umfang der Erfindung wird daher eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die vorhergehende Beschreibung angegeben.

Claims

1. Verteilte Sensorvorrichtung zur Fernerfassung von Umgebungseinwirkungen auf ein Paar Sensoren (404, 406), die eine Lichtquelle (100) und mehrere optische Wellenleiterabschnitte (409, 410, 426, 428) aufweist, die erste, zweite, dritte und vierte Lichtbahnen für die Lichtquelle (100) festlegen, dadurch gekennzeichnet, - daß die ersten und zweiten Lichtbahnen sich in mindestens einem Fühlbereich (404) unterscheiden und daß mindestens eine der ersten und zweiten Lichtbahnen durch Umgebungseinwirkungen in dem Fühlbereich (404) beeinflußt ist, wobei sich die dritten und vierten Lichtbahnen in mindestens einem Empfangsbereich (418) unterscheiden und wobei ihre Länge im wesentlichen gleich der der ersten und zweiten Lichtbahnen ist und wobei sie nicht der gleichen Umgebungseinwirkung wie die ersten und zweiten Lichtbahnen ausgesetzt sind, wobei mindestens ein Abschnitt der ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen durch einen Wellenleiterabschnitt (402) festgelegt ist, der eine optische Faser aufweist, die den Fühlbereich (404) optisch mit dem Empfangsbereich (418) verbindet; und daß weiterhin Multiplex-Einrichtungen (424a) zur Vereinigung von Licht von den ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen vorgesehen sind, wobei die Multiplex-Einrichtungen (424a) nur Licht von Lichtbahnen kohärent koppeln, die zu jeder Zeit in ihrer Länge im wesentlichen einer bestimmten der ersten und zweiten Lichtbahnen entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch:

- erste und zweite optische Interferometer (404, 406), die optisch an die Lichtquelle (100) gekoppelt sind, um mindestens einen Abschnitt der ersten und zweiten Lichtbahnen festzulegen, wobei die ersten und zweiten Interferometer (404, 406) jeweils gegenüber einer Umgebungseinwirkung empfindlich sind und Licht in Reaktion auf die Umgebungseinwirkungen beeinflussen, das sich in den ersten und zweiten Lichtbahnen ausbreitet;

- mindestens ein drittes optisches Interferometer (418), das mindestens einen Abschnitt der dritten und vierten Lichtbahnen festlegt, wobei das dritte Interferometer (418) nicht der gleichen Umgebungseinwirkung ausgesetzt ist, wie die ersten und zweiten Interferometer (404, 406); und

- wobei der Wellenleiterabschnitt (402) optisch mit mindestens einem der ersten und zweiten Interferometer (404, 406) und mit dem dritten Interferometer (418) gekoppelt ist, so daß sich Licht von den ersten und zweiten Interferometern (404, 406) zu der optischen Verbindung mit dem dritten Interferometer (418) nur durch den optischen Wellenleiter ausbreitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß:

- die optischen Bahnlängenunterschiede zwischen den optischen Bahnen in jedem Interferometer (404, 406) größer sind als eine Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle (100), und wobei sich der optische Bahnlängenunterschied der optischen Bahnen in dem ersten Interferometer (404) von dem optischen Bahnlängenunterschied der optischen Bahnen in dem zweiten Interferometer (406) um mindestens eine Quellenkohärenzlänge der Lichtquelle (100) unterscheidet;

- der Unterschied in den optischen Bahnlängen zwischen den optischen Bahnen in dem dritten Interferometer (418) im wesentlichen gleich dem Unterschied in den optischen Bahnlängen des Paars optischer Bahnen in mindestens einem der ersten und zweiten Interferometer (404, 406) ist; und

- die Einrichtung (424a) zur Vereinigung von Licht Einrichtungen zum Empfang von Licht von dem dritten Interferometer (418) und zur kohärenten Kopplung des Lichts von dem dritten Interferometer (418) aufweist, wodurch ein optisches Signal geschaffen wird, das die Umgebungseinwirkung repräsentiert, die Licht beeinflußt, das sich durch eines der ersten und zweiten Interferometer (404, 406) ausbreitet, dessen optischer Bahnlängenunterschied zwischen seinem Paar optischer Bahnen im wesentlichen dem optischen Bahnlängenunterschied zwischen dem Paar optischer Bahnen in dem dritten Interferometer (418) zu jeder Zeit entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Vielzahl optischer Wellenleiterabschnitte (409, 410, 426, 428) mindestens erste und zweite faseroptische Interferometer aufweist, die Fühlinterferometer (404, 406) aufweisen, wobei jedes Fühlinterferometer (404, 406) ein Paar optischer Bahnen festlegt, und wobei mindestens ein Abschnitt jedes Interferometers (404, 406) Lichtübertragungseigenschaften hat, die sich in Reaktion auf Umgebungsbedingungen verändern, wobei jedes Fühlinterferometer (404, 406) Eingangs- und Ausgangsanschlüsse hat, die optisch miteinander gekoppelt sind, um ein symmetrisches Netzwerk zu bilden, wobei die Eingangsanschlüsse optisch mit der Lichtquelle (100) gekoppelt sind, und wobei die Fühlinterferometer (404, 406) optisch mit Abstand voneinander angeordnet sind und wobei sich die optischen Bahnlängen der Paare optischer Bahnen in jedem Fühlinterferometer (404, 406) für jedes Interferometer (404, 406) um einen derartigen Betrag unterscheiden, daß durch die Interferometer (404, 406) von der Lichtquelle (100) übertragenes und von irgendeinem Ausgangsanschluß verteiltes Licht in bezug auf jedes andere von irgendeinem anderen Ausgangsanschluß zu einer entsprechenden Zeit verteilte Licht optisch inkohärent ist; und

- die Vielzahl optischer Wellenleiterabschnitte (409, 410, 426, 428) weist zusätzlich mindestens ein drittes faseroptisches Interferometer auf, das ein Empfangsinterferometer (418) aufweist, das optisch mit den Ausgangsanschlüssen der Fühlinterferometer (404, 406) gekoppelt ist und ein Paar optischer Bahnen festlegt, deren optischer Bahnlängenunterschied im wesentlichen zu einem optischen Bahnlängenunterschied des Paars optischer Bahnen in einem ausgewählten Fühlinterferometer derart paßt, daß Teile eines von der Lichtquelle (100) durch das Sensorsystem übertragenen optischen Signals kohärent an einen Ausgang des Empfangsinterferometers (418) koppeln, wodurch ein optisches Signal geschaffen wird, das Bedingungen repräsentiert, die eine Veränderung der Lichtübertragungseigenschaften des ausgewählten Fühlinterferometers (418) bewirken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß

- die Vielzahl optischer Wellenleiterabschnitte (409, 410, 426, 428) mindestens eine optische Faser aufweisen, die optisch mit der Lichtquelle (100) gekoppelt ist, wobei die optische Faser erste und zweite orthogonale Moden zur Ausbreitung von Licht durch diese hindurch festlegt;

- die Vorrichtung weiterhin mehrere Einrichtungen aufweist, die an ausgewählten Stellen auf der optischen Faser zur Wirkung auf die Faser angeordnet sind, um Licht zwischen den orthogonalen Moden an den ausgewählten Stellen zu koppeln, wobei ein erstes Paar Einrichtungen zur Einwirkung angeordnet ist, einen ersten Ausbreitungslängenunterschied in den orthogonalen Moden dazwischen zu bilden, wodurch Abschnitte der ersten und zweiten Lichtbahnen festgelegt werden, wobei der erste Ausbreitungslängenunterschied größer ist als eine Kohärenzlänge der Lichtquelle (100), wobei die orthogonalen Moden zwischen dem ersten Paar der Wirkungseinrichtungen gegenüber einem Umgebungseinwirkung empfindlich sind, um Licht zu beeinflussen, das sich in den orthogonalen Moden ausbreitet, und wobei ein zweites Paar Einwirkungseinwirkungen angeordnet ist, einen zweiten Ausbreitungslängenunterschied in den orthogonalen Moden dazwischen zu bilden, wodurch Abschnitte der dritten und vierten Lichtbahnen festgelegt werden, wobei der zweite Ausbreitungslängenunterschied im wesentlichen gleich dem ersten Ausbreitungslängenunterschied ist, und wobei die orthogonalen Moden zwischen dem zweiten Paar der Einwirkungseinrichtungen nicht der gleichen Umgebungseinwirkung ausgesetzt sind, wie die orthogonalen Moden zwischen dem ersten Paar der Einwirkungseinrichtungen; und

- wobei die Einrichtung (424a) zur Vereinigung von Licht Einrichtungen zum Empfang von Licht von den orthogonalen Moden zwischen dem zweiten Paar der Einwirkungseinrichtungen und zur kohärenten Kopplung des empfangenen Lichts aufweist, wodurch ein optisches Signal geschaffen wird, das die Umgebungseinwirkung repräsentiert, die das sich durch die orthogonalen Moden zwischen dem ersten Paar der Einwirkungseinrichtungen ausbreitende Licht beeinflußt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (100) eine optische Quelle aufweist, die eine kurze Kohärenzlänge hat.

7. Vorrichtung zur Fernerfassung einer Umgebungseinwirkung nach einen der Ansprüche 1, 4 oder 6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß sich die ersten und zweiten Lichtbahnen in der Länge um einen Betrag unterscheiden, der mindestens so groß ist wie eine Kohärenzlänge der Lichtquelle (100).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die dritten und vierten Lichtbahnen nur zu unterschiedlichen Zeiten existieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet durch erste und zweite optische Interferometer (404, 406) in dem mindestens einen Fühlbereich (410), wobei die ersten und zweiten Interferometer (404, 406) Abschnitte der ersten und zweiten Lichtbahnen festlegen, die sich in dem Fühlbereich (410) unterscheiden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Interferometer (404, 406) einen Unterschied in der Länge der ersten und zweiten Lichtbahnen erzeugen, der mindestens so groß ist wie eine Kohärenzlänge der Lichtquelle (100).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem die Einrichtung (424a) zur Vereinigung von Licht ein Ausgangssignal liefert, das die Phasendifferenz des kohärent gekoppelten Lichts aufweist, wobei die Phasendifferenz Umgebungseinwirkungen repräsentiert, die die Lichtbahn beeinflussen, deren Licht kohärent in der Vereinigungseinrichtung (424a) gekoppelt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fühlbereich (404) die ersten und zweiten Lichtbahnen orthogonale Moden einer einzigen optischen Faser aufweisen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in dem Empfangsbereich (418) die dritten und vierten Lichtbahnen orthogonale Moden einer einzigen optischen Faser aufweisen.

14. Vorrichtung zur Fernerfassung von Umgebungseinwirkungen nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Wellenleiterabschnitte (409, 410, 426, 428) eine optische Faser aufweisen, die die ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen in dem Fühlbereich (404) festlegt, und wobei die Vorrichtung weiterhin Einrichtungen aufweist, die wahlweise auf der optischen Faser zur Einwirkung auf die optische Faser angeordnet sind, um ein Koppeln von Licht zwischen mindestens zwei der ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen an den ausgewählten Stellen zu erzeugen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten optischen Interferometer (404, 406) erste und zweite optische Fasern aufweisen, die den Abschnitt der ersten und zweiten Lichtbahnen als orthogonale Moden innerhalb der optischen Fasern festlegen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das dritte optische Interferometer (418) eine optische Faser aufweist, die den Abschnitt der dritten und vierten Lichtbahnen als orthogonale Moden in der Faser festlegt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 16, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern doppeltbrechende Fasern aufweisen, und wobei die orthogonalen Moden in den Fasern orthogonale Polarisationen aufweisen.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 16, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern Zweimodenfasern aufweisen, und wobei die orthogonalen Moden in den Fasern eine Mode einer Grundmodengruppe und eine Mode einer Modengruppe zweiter Ordnung der Zweimodenfasern aufweisen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15, 16, 17 oder 18, weiterhin gekennzeichnet durch Einrichtungen, die wahlweise auf den optischen Fasern zur Einwirkung auf die optischen Fasern angeordnet sind, um ein Koppeln von Licht zwischen den orthogonalen Moden zu erzeugen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 14 oder 19, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Einwirkung auf die Faser faseroptische Modalkoppler zur Übertragung optischer Signale zwischen Ausbreitungsmoden einer optischen Faser durch die Aufbringung einer Spannung auf die optische Faser in räumlichen Intervallen aufweisen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, weiterhin gekennzeichnet durch:

- einen optisch mit der Einrichtung (424a) zur Vereinigung gekoppelten Detektor, wobei der Detektor ein Ausgangssignal bildet, das der Phasendifferenz des kohärent gekoppelten Lichts entspricht; und

- eine Schaltung zur Amplitudenmodulation des Ausgangssignals, um ein erstes Signal zu erzeugen, das ausgewählte Oberwellen hat, die sowohl Sinus- als auch Cosinus-Komponenten des Ausgangssignals enthalten, wodurch eine Analyse des Ausgangssignals geschaffen wird, um Umgebungseinwirkungen zu identifizieren, die die ersten und zweiten Lichtbahnen beeinflussen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, weiterhin gekennzeichnet durch:

- einen Signalgenerator zur Bildung eines Phasenmodulationssignals bei einer ausgewählten Modulationsfrequenz;

- einen Phasenmodulator, der auf den Signalgenerator zur Phasenmodulation der Lichtwellen in dem dritten Interferometer (418) bei der ausgewählten Modulationsfrequenz reagiert; und

- wobei die Schaltung derart wirkt, daß sie das Ausgangssignal bei der ausgewählten Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß eine der optischen Bahnen des dritten Interferometers (418) eine veränderbare Verzögerungsleitung aufweist, die es gestattet, daß die Länge der optischen Bahn derart verändert wird, daß der optische Bahnlängenunterschied zwischen den optischen Bahnen in dem Empfangsinterferometer (418) derart verändert wird, daß er im wesentlichen gleich dem optischen Bahnlängenunterschied zwischen der optischen Bahn in einem der ersten und zweiten Interferometer (404, 406) zu einer ersten Zeit ist, und daß er im wesentlichen gleich dem optischen Bahnlängenunterschied zwischen den optischen Bahnen in einem anderen der ersten und zweiten Fühlinterferometer (404, 406) zu einer zweiten Zeit ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine dritte optische Interferometer (418) ein drittes und ein viertes optisches Interferometer (418, 420) aufweist, wobei das dritte und das vierte optische Interferometer (418, 420) jeweils ein Paar optischer Bahnen festlegt, wobei die optischen Bahnunterschiede zwischen den Paaren optischer Bahnen in dem dritten und dem vierten Interferometer (418, 420) im wesentlichen zu den entsprechenden optischen Bahnunterschieden zwischen den optischen Bahnen in dem ersten und dem zweiten Interferometer (404, 406) passen, wodurch eine Überwachung der Umgebungseinwirkungen auf das erste Interferometer (404) mittels Licht von dem dritten Interferometer (418) und eine Überwachung der Umgebungseinwirkungen auf das zweite Interferometer (406) mittels Licht von dem vierten Interferometer (420) geschaffen wird.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsanschluß des ersten Interferometers (404) optisch an einen Eingangsanschluß des zweiten Interferometers (406) gekoppelt ist, und daß ein Ausgangsanschluß des zweiten Interferometers (406) optisch über den optischen Wellenleiter an einen Eingangsanschluß des dritten Interferometers (418) gekoppelt ist, wodurch eine Serienanordnung festgelegt wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß

- die ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen (409, 410, 426, 428) optisch vereinigt sind, um eine optische Bahn festzulegen, die einen Sensorabschnitt (110a) hat, der gegenüber Umgebungseinwirkungen empfindlich ist;

- Einrichtungen vorgesehen sind zur Übertragung von Licht von der Lichtquelle in einer ersten und einer zweiten Richtung durch die optische Bahn, so daß sich das Licht in der ersten und der zweiten Richtung durch den Sensorabschnitt zu unterschiedlichen Zeiten ausbreitet; und

- wobei die Einrichtung (424a) zur Vereinigung von Licht eine Vereinigungseinrichtung (370) aufweist, die das Licht, das die optische Bahn in der ersten Richtung durchlaufen hat, mit Licht vereinigt, das die optische Bahn in der zweiten Richtung durchlaufen hat, so daß das vereinigte Licht, das kohärent koppelt, ein Maß für die Veränderungsrate der Umgebungsbedingungen bildet, die den Sensorabschnitt (110a) beeinflussen.

27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (100) gepulste optische Signale erzeugt.

28. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß

- die, Lichtquelle (100) eine Quelle gepulster optischer Signale bildet; und wobei die Vorrichtung weiterhin folgende Merkmale aufweist:

- einen ersten optischen Wellenleiter (102), der optisch mit der Signalquelle gekoppelt ist;

- einen zweiten optischen Wellenleiter (114), der einen der Übertragungsbereiche festlegt;

- mehrere optische Wellenleitersensoren (110a, . . ., 110n), die die Fühlbereiche festlegen, wobei die Sensoren (110a, . . ., 110n) Lichtübertragungseigenschaften haben, die sich in Reaktion auf Umgebungsbedingungen verändern, und wobei die Sensoren (110a, . . ., 110n) erste und zweite Anschlüsse haben, wobei jeder Sensor an seinem ersten und zweiten Anschluß optisch mit dem entsprechenden ersten und zweiten optischen Wellenleiter derart gekoppelt ist, daß die Sensoren (110a, . . ., 110n) und der erste und der zweite Wellenleiter (102, 114) mindestens Abschnitte der ersten und zweiten Lichtbahnen festlegen, wobei die Sensoren (110a, . . ., 110n) in beabstandeter Beziehung entlang der ersten und zweiten optischen Wellenleiter angeordnet sind, so daß Abschnitte eines optischen Impulssignals von der Signalquelle von dem ersten Wellenleiter durch jeden Sensor übertragen und dann auf den zweiten optischen Wellenleiter gemultiplext werden, wodurch eine Folge von Impulssignalen auf dem zweiten optischen Wellenleiter erzeugt wird, wobei die Kopplungsstellen der optischen Wellenleitersensoren (110a, . . ., 110n) auf dem ersten und dem zweiten optischen Wellenleiter (102, 114) derart mit Abstand voneinander angeordnet sind, daß der optische Bahnlängenunterschied für Licht, das irgendwelche zwei benachbarten Sensoren (110a, . . ., 110n) durchläuft, im wesentlichen identisch und groß genug ist, daß sich die Impulssignale auf dem zweiten Wellenleiter (114) nicht überlappen; und

- ein dritter optischer Wellenleiter, der in der Vereinigungseinrichtung optisch an die zweiten optischen Wellenleiter gekoppelt und unabhängig von den optischen Wellenleitersensoren (110a, . . ., 110n) ist, wobei der dritte optische Wellenleiter mindestens eine der dritten und vierten Lichtbahnen festlegt und durch diese hindurch entlang einer optischen Bahnlänge übertragenes Licht hat, das eine kohärente Interferenz in der Vereinigungseinrichtung zwischen ausgewählten Impulsen in dem zweiten und dem dritten optischen Wellenleiter erzeugt, wodurch ein Phasendifferenzsignal geschaffen wird, das den Bedingungen entspricht, die eine Veränderung der Lichtübertragungseigenschaften in bestimmten optischen Wellenleitersensoren (110a, . . ., 110n) bewirken.

29. Verfahren zur Fernerfassung von Umgebungseinwirkungen auf ein Paar gegenüber der Umgebung empfindlicher Sensoren (404, 406) in einem verteilten Sensorsystem, das folgende Schritte aufweist:

- Fortpflanzung von Licht von einer Lichtquelle (100) durch erste und zweite Lichtbahnen, die mindestens zum Teil von einer ersten Vielzahl optischer Wellenleiter festgelegt werden, wobei die ersten und zweiten Lichtbahnen von einer Umgebungseinwirkung an ersten und zweiten Stellen beeinflußt werden;

- Fortpflanzung von Licht durch dritte und vierte Lichtbahnen, die mindestens zum Teil von mindestens einem zweiten optischen Wellenleiter festgelegt werden, wobei die dritten und vierten Lichtbahnen in der Länge im wesentlichen gleich den ersten und zweiten Lichtbahnen sind und nicht den gleichen Umgebungseinwirkungen wie die ersten und zweiten Lichtbahnen ausgesetzt sind;

- Fortpflanzung von Licht von der ersten Vielzahl optischer Wellenleiterabschnitte (409, 410, 426, 428) zu einer optischen Verbindung mit dem zweiten Wellenleiterabschnitt nur durch einen dritten optischen Wellenleiterabschnitt; und

- Vereinigung von Licht von den ersten, zweiten, dritten und vierten Lichtbahnen derart, daß nur Licht von den Lichtbahnen kohärent gemultiplext wird, die in der Länge im wesentlichen gleich einer bestimmten der ersten und zweiten Lichtbahnen zu jeder Zeit sind.

30. Verfahren zur Fernerfassung von Umgebungseinwirkungen nach Anspruch 26, wobei der Schritt der Fortpflanzung von Licht durch dritte und vierte Lichtbahnen folgende Schritte aufweist:

- Fortpflanzung von Licht durch die dritte Lichtbahn zu einer ersten Zeit; und

- Fortpflanzung von Licht durch die vierte Bahn zu einer zweiten Zeit.

31. Verfahren zur Identifizierung von Bedingungen, die Sensoren (404, 406) in einem verteilten Sensorsystem beeinflussen, das folgende Schritte aufweist:

- Übertragung eines Lichtsignals in erste und zweite optische Wellenleiterabschnitte, die mindestens erste und zweite Übertragungsabschnitte und mindestens erste und zweite Sensorabschnitte haben, wobei die Sensorabschnitte gegenüber Umgebungseinwirkungen empfindlich sind;

- Übertragung eines Lichtsignals in einen dritten optischen Wellenleiterabschnitt, der mechanisch unabhängig von den Sensorabschnitten ist und der erste und zweite Empfängerlichtbahnen festlegt, die in der Länge im wesentlichen gleich den Lichtbahnen in den ersten und zweiten Wellenleiterabschnitten sind, wobei der dritte Wellenleiterabschnitt nicht den gleichen Umgebungseinwirkungen wie die ersten und zweiten Sensorabschnitte ausgesetzt ist; und

- optisches Koppeln von Licht von den ersten und den zweiten optischen Wellenleiterabschnitten und von Licht von den ersten und zweiten Empfängerlichtbahnen, wodurch ein optisches Ausgangssignal erzeugt wird, das Bedingungen repräsentiert, die eine Veränderung der Lichtübertragungseigenschaften in den Sensorabschnitten bewirken, wobei das Ausgangssignal für die ersten und zweiten Sensorabschnitte zu unterschiedlichen Zeiten kohärent ist.