特許 5980150 光センサアレイ、光学装置、および光バスを構成するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5980150

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】光センサアレイ、光学装置、および光バスを構成するための方法

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20160818BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   G01H9/00 E

   G01D5/353 A

【請求項の数】25

【外国語出願】

【全頁数】35

(21)【出願番号】特願2013-55289(P2013-55289)

(22)【出願日】2013年3月18日

(65)【公開番号】特開2013-200305(P2013-200305A)

(43)【公開日】2013年10月3日

【審査請求日】2015年12月17日

(31)【優先権主張番号】61/612,831

(32)【優先日】2012年3月19日

(33)【優先権主張国】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】503115205

【氏名又は名称】ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ レランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティー

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】オヌール・カン・アカヤ

(72)【発明者】

【氏名】オヌール・キリック

(72)【発明者】

【氏名】マイケル・ジェイ・エフ・ディゴネット

(72)【発明者】

【氏名】ゴードン・キノ

(72)【発明者】

【氏名】オラフ・ソルガード

【審査官】 田中 秀直

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０６２５２６８９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 米国特許第０５０７１２１４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３２３４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５０９６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５００９８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｈ ９／００

Ｇ０１Ｄ ５／３５３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学装置であって、
入力光信号の少なくとも１つの源に光学的に結合されるよう構成され、少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるよう構成され、かつ複数の反射検知素子に光学的に結合されるよう構成された少なくとも１つの光バスを備え、
少なくとも１つの光バスは、複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子が入力光信号の一部を受信し、受信された部分のうち少なくとも一部を反射するように入力光信号を少なくとも１つの源から複数の反射検知素子に送信し、
少なくとも１つの光バスは、反射された部分を少なくとも１つの光検出器に送信し、
少なくとも１つの光バスは、分配バスとリターンバスとを備え、前記分配バスは、少なくとも１つの源に光学的に結合されるよう構成され、前記分配バスは、少なくとも２つの分配光カプラを備え、前記少なくとも２つの分配光カプラは各々、入力光信号を分配バスに沿って送信される部分と、複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子に送信される部分とに分割し、前記リターンバスは、少なくとも１つの光検出器に光学的に結合され、前記リターンバスは、少なくとも２つのリターン光カプラを含み、前記少なくとも２つのリターン光カプラは各々、複数の反射検知素子からの反射光を送信し、前記複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子は、少なくとも１つの分配光カプラによって分配バスに光学的に結合され、少なくとも１つの分配光カプラによってリターンバスに光学的に結合されるか、または、少なくとも１つのリターン光カプラによってリターンバスに光学的に結合され、少なくとも１つのリターン光カプラによって分配バスに光学的に結合される、光学装置。

【請求項2】

少なくとも１つの反射検知素子は、少なくとも１つの分配光カプラによって分配バスに光学的に結合され、少なくとも１つのリターン光カプラおよび少なくとも１つの分配光カプラによってリターンバスに光学的に結合される、請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

少なくとも１つの反射検知素子は、少なくとも１つのリターン光カプラによってリターンバスに光学的に結合され、少なくとも１つの分配光カプラおよび少なくとも１つのリターン光カプラによって分配バスに光学的に結合される、請求項１に記載の光学装置。

【請求項4】

少なくとも１つの光バスは少なくとも１つの光サーキュレータを含み、前記少なくとも１つの光サーキュレータは、少なくとも１つの反射検知素子を分配バスおよびリターンバスに光学的に結合する、請求項１に記載の光学装置。

【請求項5】

少なくとも１つの光バスは第３の光カプラを含み、前記第３の光カプラは、少なくとも１つの反射検知素子を分配バスおよびリターンバスに光学的に結合する、請求項１に記載の光学装置。

【請求項6】

少なくとも１つの反射検知素子は少なくとも１つのセンサを備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項7】

少なくとも１つの反射検知素子は、
分割カプラと、
分割カプラに光学的に結合された複数のセンサとを備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項8】

少なくとも１つの反射検知素子は、分割カプラに光学的に結合され、複数のセンサのうち対応するセンサに光学的に結合された複数の遅延素子をさらに備える、請求項７に記載の光学装置。

【請求項9】

分割カプラは波長分割マルチプレクサである、請求項７に記載の光学装置。

【請求項10】

少なくとも１つの光バスはさらに、レーザポンプ源に光学的に結合されるよう構成される、請求項１に記載の光学装置。

【請求項11】

少なくとも１つの光バスは、入力光信号の部分が少なくとも１つの反射検知素子によって受信される前に増幅されるように位置決めされた少なくとも１つの光増幅器を備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項12】

少なくとも１つの光バスは、反射された部分を増幅するよう位置決めされた少なくとも１つの光増幅器を備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項13】

少なくとも１つの光バスは、
入力光信号の第１の部分が第１の因子で増幅され、
入力光信号の第１の部分が第１の反射検知素子によって受信され、
第１の反射検知素子からの反射されたそれぞれの部分が第２の因子で増幅され、
入力光信号の第２の部分が第３の因子で増幅され、
入力光信号の第２の部分が第２の反射検知素子によって受信され、
第２の反射検知素子からの反射されたそれぞれの部分が第４の因子で増幅されるように、
位置決めされた複数の光増幅器を備え、
第１の因子および第２の因子の和は、第３の因子および第４の因子の和と実質的に等しい、請求項１に記載の光学装置。

【請求項14】

少なくとも１つの光バスは、少なくとも１つの光増幅器と、入力光信号の部分が少なくとも１つの光増幅器を２回通過するように構成された少なくとも１つの光反射板とを備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項15】

少なくとも１つの光バスは、少なくとも１つの光増幅器と、反射された部分が少なくとも１つの光増幅器を２回通過するように構成された少なくとも１つの光反射板とを備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項16】

少なくとも１つの光バスは少なくとも１つの光アイソレータを備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項17】

少なくとも１つの光バスは、反射された部分が、少なくとも１つの光検出器によって受信される前に少なくとも１つの光学フィルタを通過するように位置決めされる少なくとも１つの光学フィルタを備える、請求項１に記載の光学装置。

【請求項18】

複数の反射検知素子に光学的に結合されるよう光バスを構成するための方法であって、
複数の光カプラを含む少なくとも１つの光バスを設けるステップを含み、
少なくとも１つの光バスは、入力光信号の少なくとも１つの源に光学的に結合されるよう構成され、少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるよう構成され、複数の光カプラによって複数の反射検知素子に光学的に結合されるよう構成され、
少なくとも１つの光バスは、複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子が入力光信号の一部を受信し、受信された部分のうち少なくとも一部を反射するように、入力光信号を少なくとも１つの源から複数の反射検知素子に送信し、
少なくとも１つの光バスは、反射された部分を少なくとも１つの光検出器に送信し、前記方法はさらに、
少なくとも１つの反射検知素子の雑音指数を減ずるよう複数の光カプラの結合比を選択するステップを含む、方法。

【請求項19】

少なくとも１つの光バスにおける損失を補償するよう入力光信号の部分を増幅するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

少なくとも１つの光バスにおける損失を補償するよう、反射された部分を増幅するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項21】

入力光信号の第１の部分を第１の因子で増幅するステップと、
第１の反射検知素子によって入力光信号の第１の部分を受信するステップと、
第１の反射検知素子からのそれぞれの反射された部分を第２の因子で増幅するステップと、
入力光信号の第２の部分を第３の因子で増幅するステップと、
第２の反射検知素子によって入力光信号の第２の部分を受信するステップと、
第２の反射検知素子からの反射された部分を第４の因子で増幅するステップとを含み、
第１の因子および第２の因子の和は、第３の因子および第４の因子の和と実質的に等しい、請求項１８に記載の方法。

【請求項22】

光増幅器によって入力光信号の部分を増幅するステップと、
光反射板によって入力光信号の部分のうち少なくとも一部を反射するステップと、
前記部分のうち少なくとも一部を光増幅器によって再度増幅するステップとを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項23】

反射された部分を光増幅器によって増幅するステップと、
反射された部分のうち少なくとも一部を光反射板によって反射するステップと、
反射された部分のうち少なくとも一部を光増幅器によって再度増幅するステップとを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項24】

ホワイトノイズを除去するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項25】

複数の反射検知素子に光学的に結合されるよう光バスを構成するための方法であって、
分配バスおよびリターンバスを含む少なくとも１つの光バスを設けるステップを含み、
少なくとも１つの光バスは、入力光信号の少なくとも１つの源に光学的に結合されるよう構成され、少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるよう構成され、複数の反射検知素子に光学的に結合されるよう構成され、
少なくとも１つの光バスは、複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子が入力光信号の一部を受信し、受信された部分のうち少なくとも一部を反射するように、入力光信号を少なくとも１つの源から複数の反射検知素子に送信し、
分配バスは、少なくとも１つの源に光学的に結合されるよう構成され、前記分配バスは、少なくとも２つの分配光カプラを備え、前記少なくとも２つの分配光カプラは各々、入力光信号を分配バスに沿って送信される部分と、複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子に送信される部分とに分割し、前記リターンバスは少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように構成され、前記リターンバスは、少なくとも２つのリターン光カプラを含み、前記少なくとも２つのリターン光カプラは各々、複数の反射検知素子からの反射光を送信し、前記複数の反射検知素子のうち少なくとも１つの反射検知素子は、少なくとも１つの分配光カプラによって分配バスに光学的に結合され、少なくとも１つの分配光カプラによってリターンバスに光学的に結合されるか、または、少なくとも１つのリターン光カプラによってリターンバスに光学的に結合され、少なくとも１つのリターン光カプラによって分配バスに光学的に結合され、
少なくとも１つの光バスは、反射された部分を少なくとも１つの光検出器に送信し、前記方法はさらに、
少なくとも１つの反射検知素子の雑音指数を減ずるよう少なくとも２つの分配光カプラと少なくとも２つのリターン光カプラとの結合比を選択するステップを含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本願は、引用により全体がこの明細書中に援用されている、２０１２年３月１９日に出願された米国仮出願番号第６１／６１２，８３１号に対する優先権の利益を主張する。

【0002】

背景
分野
本願は、概して、センサを利用する光学装置と方法とに関し、より特定的には、反射モードで動作するセンサに関する。

【背景技術】

【0003】

関連技術の説明
光ファイバ音響センサは、主として従来の音響センサに勝る多数の利点を有しているため、１９７０年代に初めて登場して以来、広範囲にわたって研究されてきた（たとえば、J. H. Cole、R. L. JohnsonおよびP. G. Bhutaによる「音の光ファイバ検出」（"Fiber-optic detection of sound"（J. Acoust. Soc. Am. Vol. 62, 1136, 1977））；J. A. Bucaro、H. D. DardyおよびE. F. Caromeによる「光ファイバ水中聴音機（"Fiber-optic hydrophone"（J. Acoust. Soc. Am., Vol. 62, 1302, 1977））を参照されたい）。これらの利点として、小型および軽量であること、化学的および／または電気的に過酷な環境で動作できること、多数のセンサを一緒に多重化し易いこと、ならびに、データの送信および処理のための光ファイバネットワークとの適合性があることが挙げられる。

【0004】

ファブリーペロー干渉計キャビティの２つのミラーの相対的な変位に基づいて音圧測定を行うさまざまな光ファイバセンサシステムが従来から開示されている。たとえば、M. Yuらによる「光ファイバセンサシステムを用いた音響測定」（"Acoustic Measurements Using a Fiber Optic Sensor System"（J. Intelligent Mat'l Systems and Structures, vol. 14, pages 409-414, July 2003））；K. Totsuらによる「白色光干渉法を用いた超小型光ファイバ圧力センサ」（"Ultra-Miniature Fiber-Optic Pressure Sensor Using White Light Interferometry"（J. Micromech. Microeng., vol. 15, pages 71-75, 2005））；W. B. Spillman, Jr.らによる「光ファイバ水中聴音機の移動」（"Moving Fiber-Optic Hydrophone"（Optics Lett., vol. 5, no. 1, pages 30-31, January 1980））；K. Kardirvelらによる「航空音響学的測定のためのＭＥＭＳ光マイクロフォンの設計および特徴」（"Design and Characterization of MEMS Optical Microphone for Aeroacoustic Measurement"（42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada））；J. A. Bucaroらによる「小型、高性能、低コストの光ファイバマイクロフォン」（"Miniature, High Performance, Low-Cost Fiber Optic Microphone"（J. Acoust. Soc. Am., vol. 118, no. 3, part 1, pages 1406-1413, September 2005））；T. K. Gangopadhyayらによる「付随的なファブリーペロー干渉計キャビティのモデリングおよび分析」（"Modeling and Analysis of an Extrinsic Fabry-Perot Interferometer Cavity"（Appl. Optics, vol. 44, no. 16, pages 312-3196, 1 June 2005））；ならびに、P. J. Kuzmenkoによる「小型のファブリーペロー光ファイバ水中聴音機の実験性能」（"Experimental Performance of a Miniature Fabry-Perot Fiber Optic Hydrophone"（Proceedings of 8th Optical Fiber Sensors Conference, Monterey, California, January 29-31, 1992, pages 354-357））を参照されたい。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】J. H. Cole、R. L. JohnsonおよびP. G. Bhuta, "Fiber-optic detection of sound" (J. Acoust. Soc. Am. Vol. 62, 1136, 1977)

【非特許文献2】J. A. Bucaro、H. D. DardyおよびE. F. Carome, "Fiber-optic hydrophone" (J. Acoust. Soc. Am., Vol. 62, 1302, 1977)

【非特許文献3】M. Yu et al., "Acoustic Measurements Using a Fiber Optic Sensor System" (J. Intelligent Mat'l Systems and Structures, vol. 14, pages 409-414, July 2003)

【非特許文献4】K. Totsu et al., "Ultra-Miniature Fiber-Optic Pressure Sensor Using White Light Interferometry" (J. Micromech. Microeng., vol. 15, pages 71-75, 2005)

【非特許文献5】W. B. Spillman, Jr. et al., "Moving Fiber-Optic Hydrophone" (Optics Lett., vol. 5, no. 1, pages 30-31, January 1980)

【非特許文献6】K. Kardirvel et al., "Design and Characterization of MEMS Optical Microphone for Aeroacoustic Measurement" (42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 5-8 January 2004, Reno, Nevada)

【非特許文献7】J. A. Bucaro et al., "Miniature, High Performance, Low-Cost Fiber Optic Microphone" (J. Acoust. Soc. Am., vol. 118, no. 3, part 1, pages 1406-1413, September 2005)

【非特許文献8】T. K. Gangopadhyay et al., "Modeling and Analysis of an Extrinsic Fabry-Perot Interferometer Cavity" (Appl. Optics, vol. 44, no. 16, pages 312-3196, 1 June 2005)

【非特許文献9】P. J. Kuzmenko, "Experimental Performance of a Miniature Fabry-Perot Fiber Optic Hydrophone" (Proceedings of 8th Optical Fiber Sensors Conference, Monterey, California, January 29-31, 1992, pages 354-357)

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

全ファイバ型センサを利用する光学装置または方法を用いることによって、遠隔地で情報を得ることができる。たとえば、高感度、高ダイナミックレンジの音響センサは、これらの装置でこれらの方法を用いることによって多重化することができる。光センサを利用する装置および方法の応用例は、軍用ソナーアレイ、地震調査用アレイ、スマートウェル（ダウンホール環境の監視）、港および空港の監視、対潜水艦戦、ならびに、航空宇宙機のための構造健全性の管理を含むが、これらに限定されない。光ファイバセンサを用いた装置および方法は従来のセンサ技術よりも有利である。たとえば、これら装置および方法は電気的に受動的であり、電磁干渉に影響されない。これら装置は、より軽量で、より安価で、より小型である。これら装置はまた、高速データ転送用の既存の電気通信インフラに組込むこともできる。さらに、従来技術と比較して、信号対雑音比性能と雑音指数性能とが改善された多数のセンサを多重化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1A】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置の例を概略的に示す図である。

【図1B】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、少なくとも１つのセンサを含む反射検知素子を概略的に示す図である。

【図2】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、複数の反射検知素子に光学的に結合された分配バスおよびリターンバスを含む光バスの例を概略的に示す図である。

【図3】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、複数の反射検知素子に光学的に結合された分配バスおよびリターンバスを含む光バスの例を概略的に示す図である。

【図4】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、複数の反射検知素子に光学的に結合された分配バスおよびリターンバスを含む光バスの例を概略的に示す図である。

【図5】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、少なくとも１つの光サーキュレータを含む光バスの例を概略的に示す図である。

【図6】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、分割カプラおよび複数のセンサを含む反射検知素子を概略的に示す図である。

【図7】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射検知素子が分割カプラ、複数のセンサおよび複数の遅延素子を含む例示的な光学装置を概略的に示す図である。

【図8】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、レーザポンプ源、光増幅器、光アイソレータまたはこれらの組合せに光学的に結合された光バスの例を概略的に示す図である。

【図9】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、レーザポンプ源、光増幅器、光アイソレータまたはこれらの組合せに光学的に結合された光バスの例を概略的に示す図である。

【図10A】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、レーザポンプ源、光増幅器、光アイソレータまたはこれらの組合せに光学的に結合された光バスの例を概略的に示す図である。

【図10B】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、レーザポンプ源、光増幅器、光アイソレータまたはこれらの組合せに光学的に結合された光バスの例を概略的に示す図である。

【図11】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図12】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図13】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図14】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図15】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図16】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図17】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置のさまざまな例を概略的に示す図である。

【図18】この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、単一の光バスを利用する光学装置の例を概略的に示す図である。

【図19】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の実施例を示すフローチャートである。

【図20】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の他の実施例を示すフローチャートである。

【図21】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の他の実施例を示すフローチャートである。

【図22】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の他の実施例を示すフローチャートである。

【図23】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の他の実施例を示すフローチャートである。

【図24】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の他の実施例を示すフローチャートである。

【図25】光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法の他の実施例を示すフローチャートである。

【図26】フォトニック結晶膜の走査型電子顕微鏡像と、このようなフォトニック結晶膜を利用するファブリーペロー（ＦＰ）干渉計センサの概略図とを示す図である。

【図27】図１０Ｂの例示的な装置の時間領域動作を概略的に示す図である。

【図28】図１０Ｂの例示的な装置の個々の検知素子の変動するデューティサイクルで測定されたＳＮＲを示す図である。

【図29】図１０Ｂの例示的な装置の１０個の検知素子についての測定されたＳＮＲを示す図である。

【図30】図１０Ｂの例示的な装置について、検知素子の数の関数として計算された７つの雑音寄与を示す図である。

【図31】図１０Ｂの例示的な装置について、変動する光線幅を有するバンドパスフィルタのための検知素子の数の関数としてシミュレートされたＭＤＰを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

詳細な説明
近年開発された光センサは反射モードで動作する、すなわち、センサに光信号を送達するのと同じファイバがまた、変調された信号をセンサから検出器に向かって移送する。例として、米国特許出願第１１／４１４，５０６号（２００６年４月２８日に出願）、第１１／６０４，６７３号（２００６年１１月２７日に出願）および第１１／９７１，７１４号（２００８年１月９日に出願）に記載され、その各々が全体として引用によりこの明細書中に援用されている小型のファブリーペロー（ＦＰ）干渉計が挙げられる。異なるファイバ上で入出力信号を送達するセンサのためのいくつかの装置および方法が開示されてきた。たとえば、引用により全体がこの明細書中に援用されている米国特許第６，０３４，９２４号、米国特許第６，０８４，２３３号および米国特許第６，０９７，４８６号を参照されたい。この明細書中に記載されるいくつかの実施例は、反射モードで動作する光センサを利用する装置および方法を記載する。

【0009】

図１Ａは、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する例示的な光学装置１０を概略的に示す。いくつかの実施例における装置１０は少なくとも１つの光バス１００を含む。少なくとも１つの光バス１００は、入力光信号の少なくとも１つの源１１０、少なくとも１つの光検出器１２０および複数の反射検知素子２００に光学的に結合されるよう構成される。少なくとも１つの光バス１００は、少なくとも１つの源１１０から複数の反射検知素子２００に入力光信号を送信する。複数の反射検知素子２００のうち少なくとも１つの反射検知素子２００（１）は、入力光信号の一部を受信して、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。少なくとも１つの光バス１００は、反射された部分を少なくとも１つの光検出器１２０に送信する。

【0010】

いくつかの実施例においては、光学装置１０は光センサアレイであり、その一例が図１Ａに概略的に示される。いくつかの実施例の光学装置１０は、入力光信号の少なくとも１つの源１１０、少なくとも１つの光検出器１２０、複数の反射検知素子２００、および少なくとも１つの光バス１００を含む。少なくとも１つの光バス１００は、入力光信号の少なくとも１つの源１１０、少なくとも１つの光検出器１２０、および複数の反射検知素子２００に光学的に結合される。少なくとも１つの光バス１００は、入力光信号を少なくとも１つの源１１０から複数の反射検知素子２００に送信する。複数の反射検知素子２００の反射検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）は各々、入力光信号の一部を受信し、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。次いで、少なくとも１つの光バス１００は、反射された部分を少なくとも１つの光検出器１２０に送信する。

【0011】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例と互換性のある源の例として、単色源（たとえばレーザ、レーザダイオード）、広帯域源（たとえば白熱電球、発光ダイオード）および調整可能な源（たとえば波長可変レーザ）が含まれるが、これらに限定されない。しかしながら、当該技術において周知であるかまたはまだ発明されていない如何なる源であってもよい。

【0012】

いくつかの実施例においては、入力光信号の少なくとも１つの源１１０はレーザ信号源である。これは、たとえば、狭線幅のレーザダイオードであってもよく、加えて、パルスレーザ源または連続波レーザ源であってもよく、この後に光変調器が続き、少なくとも１つの光バス１００に供給されるべきパルス状入力信号を発生させるようにする。

【0013】

いくつかの実施例においては、少なくとも１つの光検出器１２０は当該技術において周知のさまざまな光検出器のうちの１つであってもよいが、但し、まだ発明されていない検出器が用いられてもよい。いくつかの実施例においては、光ゲートまたは電気ゲートを（たとえばアレイの出力において）少なくとも１つの光検出器１２０よりも前に用いて、（たとえば復調を目的とした）特定の検知素子２００に対応するパルス列から特定の光パルスを選択することができる。ゲートは、装置１０への入力において（たとえば、源１１０においてまたは源１１０の直後に）入力強度変調器と同期させることができる。

【0014】

図１Ｂに概略的に示されるように、少なくとも１つの反射検知素子２００（１）は少なくとも１つのセンサ３００（１）を含む。少なくとも１つのセンサ３００（１）は、小型のファブリーペロー（ＦＰ）干渉計、または反射モードで動作する如何なるセンサであってもよい。少なくとも１つのセンサ３００（１）は入力光信号の少なくとも一部を受信する。入力光信号の少なくとも一部は測定量によって変調されるが、この測定量に対して、上記少なくとも１つのセンサ３００（１）はその感度が高くなるよう設計されている。少なくとも１つのセンサ３００（１）は、反射された部分が情報搬送信号となるように、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。この情報搬送用の反射された部分は、少なくとも１つの光バス１００を介して少なくとも１つの光検出器１２０に供給される。

【0015】

いくつかの実施例においては、少なくとも１つの光バス１００は、少なくとも１つの従来の光ファイバ（たとえば、ニューヨーク州コーニングにあるCorning, Inc.から入手可能なＳＭＦ−２８（登録商標）光ファイバなどの単一モードのファイバ）を含む。いくつかの他の実施例においては、光バス１００は、少なくとも１つの空心の光ファイバ（たとえば、デンマークのビルケロッド（Birkerod）にあるCrystal Fibre A/Sから入手可能なＨＣ−１５５０−０２光ファイバなどの中空芯のフォトニックバンドギャップファイバ）を含む。いくつかの実施例においては、空心の光ファイバは、有利には、従来の光ファイバと比較して、カー効果、ファラデー効果およびシュッペ（熱）効果のうち１つ以上の低減をもたらす。たとえば、米国特許出願公開番号第２００８／００３０７４１Ａ１号、ならびに、H.K. Kim、V. Dangui、M. DigonnetおよびG. Kinoによる「空心のフォトニックバンドギャップファイバを用いた光ファイバジャイロスコープ」（"Fiber-optic gyroscope using an air-core photonic-bandgap fiber"（Proceedings of the SPIE, vol. 5855, no. 1, pp. 198-201, 2005））を参照されたい。その各々の全体が引用によりこの明細書中に援用されている。

【0016】

図２に示されるいくつかの実施例においては、少なくとも１つの光バスは分配バス１１５およびリターンバス１１６を含む。分配バス１１５は、いくつかの実施例においては、少なくとも１つの源１１０および複数の反射検知素子２００に光学的に結合されるよう構成される。リターンバス１１６は、いくつかの実施例においては、少なくとも１つの光検出器１２０および複数の反射検知素子２００に光学的に結合されるよう構成される。

【0017】

図２〜図４は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する光学装置１０の例を概略的に示す。たとえば、図２は（たとえば光増幅器を備えない）例示的なパッシブアレイを示し、図４は（たとえば光増幅器を備えた）例示的なアクティブアレイを示す。これらの実施例においては、少なくとも１つの光バスは複数の光カプラ１３０を含む。いくつかの実施例においては、複数の反射検知素子２００のうち少なくとも１つの反射検知素子２００（１）は、複数の光カプラ１３０のうち少なくとも１つの光カプラ１３０（１）によって分配バス１１５に光学的に結合される。複数の反射検知素子２００のうち少なくとも１つの反射検知素子２００（１）もまた、複数の光カプラ１３０のうち少なくとも１つの光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に光学的に結合される。いくつかの実施例においては、光学装置１０は複数の光遅延線を含み得る。各々の光遅延線は、分配バス１１５に沿った連続した光カプラ（たとえば連続した光カプラ１３０（１））間に位置決めされ得るか、または、リターンバス１１６に沿った連続した光カプラ（たとえば連続した光カプラ１３０（２））間に位置決めされ得る。たとえば、図１０Ｂは、分配バス１１５に沿った光遅延線を含む例示的な装置１０を概略的に示す。これらの光遅延線は、（たとえば時分割多重化のために）光パルスの一時的なオーバーラップを防ぐように、連続した光カプラ間に伝搬する光パルスに遅延を加えるよう構成することができる。

【0018】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例においては、図２に図示のとおり、反射検知素子２００（１）が光カプラ１３０（１）によって分配バス１１５に光学的に結合される。反射検知素子２００（１）もまた、２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）によってリターンバス１１６に光学的に結合される。分配バス１１５における入力光信号の一部が、光カプラ１３０（１）によって反射検知素子２００（１）に向けられる。反射検知素子２００（１）は、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。受信された部分のうち反射された部分は、光カプラ１３０（１）によって光カプラ１３０（２）を介してリターンバス１１６に向けられる。

【0019】

分配バス１１５上の入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分は、光カプラ１３０（１）によって別の光カプラ１３０（１）に向けられ、第２の反射検知素子２００（２）に光信号を供給するのに用いられる。このようにして、入力光信号の部分が、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）に供給される。同様に、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）からの反射信号は、光カプラ１３０（１）によって光カプラ１３０（２）を介してリターンバス１１６に向けられる。

【0020】

いくつかの実施例においては、図３および図４に図示のとおり、反射検知素子２００（１）は光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に光学的に結合され、また、２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）によって分配バス１１５にも光学的に結合される。これらの実施例においては、入力光信号のうちの一部が、反射検知素子２００（１）から反射される前に、２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）によって方向付けされる。検知素子２００（１）によって変調された後、受信された部分のうち少なくとも一部は、単一の光カプラ１３０（２）を通過することによってリターンバスに供給される。

【0021】

分配バス１１５上の入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分は、光カプラ１３０（１）によって別の光カプラ１３０（１）に向けられ、光信号を光カプラ１３０（２）を介して第２の反射検知素子２００（２）に供給するのに用いられる。このようにして、入力光信号の部分が検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）に供給される。同様に、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）からの反射信号が光カプラ１３０（２）を介してリターンバス１１６に供給される。

【0022】

図３においては、検知素子２００（１）からの反射信号は単一の光カプラ１３０（２）によって光検出器１２０に分配され、検知素子２００（ｎ）からの反射信号が複数の光カプラ１３０（２）によって光検出器１２０に分配される。対照的に、図４においては、検知素子２００（１）からの反射信号が複数の光カプラ１３０（２）によって光検出器１２０に分配され、検知素子２００（ｎ）からの反射信号が単一の光カプラ１３０（２）によって光検出器１２０に分配される。

【0023】

図５は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、反射モードで動作するセンサを利用する装置の別の例を概略的に示す。図５においては、光バスは少なくとも１つの光サーキュレータ１４０を含む。反射検知素子２００（１）は、光サーキュレータ１４０および光カプラ１３０（１）によって分配バス１１５に光学的に結合され、光サーキュレータ１４０および光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に光学的に結合される。この実施例においては、源１１０からの入力光信号のうち一部が、光カプラ１３０（１）によって光サーキュレータ１４０を介して反射検知素子２００（１）に向けられる。反射された部分は、光サーキュレータ１４０によって光カプラ１３０（２）を経由してリターンバス１１６に向けられる。

【0024】

分配バス１１５上の入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分は、光カプラ１３０（１）によって別の光カプラ１３０（１）に向けられ、光信号を別の光サーキュレータ１４０を介して反射検知素子２００（２）に供給するのに用いられる。こうして、入力光信号の部分が、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）に供給される。同様に、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）からの反射信号が、対応する光サーキュレータ１４０によって方向付けされ、対応する光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に供給される。

【0025】

この実施例の利点は、信号が光カプラを通過する回数を減らし、これによって損失を低減させることである。源１１０からの入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられる部分は、光カプラ１３０（１）を一回通過し、反射検知素子２００（１）からの反射信号は、光カプラ１３０（２）を一回通過する。他方で、図２においては、入力光信号のうち源１１０からの部分は光カプラ１３０（１）を通過し、反射検知素子２００（１）からの反射信号も光カプラ１３０（１）を通過する。図３においては、入力光信号のうち源１１０からの部分が光カプラ１３０（２）を通過し、反射検知素子２００（１）からの反射信号も光カプラ１３０（２）を通過する。

【0026】

しかしながら、当業者であれば、たとえば図５のようないくつかの実施例における光サーキュレータが、いくつかの実施例においては、光カプラと置換可能であることを認識するだろう。

【0027】

上述しかつ図１Ｂに示したとおり、反射検知素子２００（１）は少なくとも１つのセンサ３００（１）を含み得る。いくつかの他の実施例においては、たとえば図６に図示のとおり、反射検知素子２００（１）は、分割カプラ１５０と、分割カプラ１５０に光学的に結合された複数のセンサ３００とを含む。いくつかの他の実施例においては、図６にも図示のとおり、少なくとも１つの反射検知素子２００（１）は複数の遅延素子１６０を含む。遅延素子１６０は、分割カプラ１５０および対応するセンサ３００に光学的に結合される。たとえば、図６においては、遅延素子１６０（１）は、分割カプラ１５０および対応するセンサ３００（１）に光学的に結合される。

【0028】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例においては、分割カプラ１５０は、いくつかのセンサ３００（１）、３００（２）、…３００（ｎ）を多重化するのに用いられるスターカプラである。いくつかの実施例においては、遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）は、反応がオーバーラップしないようにするのに、異なるセンサからの反応の間に時間遅延が望まれるかどうかに応じて、用いられてもよいし、用いられなくてもよい。これらの実施例においては、分割カプラ１５０は波長分割マルチプレクサであってもよく、遅延素子１６０は導波路の長さであってもよい。図６は、検知素子が単一のセンサを含むものとしてこの明細書中に記載された実施例が分割カプラ１５０および複数のセンサ３００を組込むよう変更可能であることを示す。図７はこのような一実施例を示す。

【0029】

図７においては、分割カプラ１５０および遅延素子１６０は、分割カプラ１５０が光カプラ１３０（１）によって分配バス１１５に光学的に結合されるように、図２に示される構成に適用される。分割カプラ１５０は、センサ３００（１）、３００（２）、…３００（ｎ）に光学的に結合されるそれぞれの遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）に光学的に結合される。センサ３００（１）、３００（２）、…３００（ｎ）は、遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）、分割カプラ１５０、ならびに２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）によってリターンバス１１６に光学的に結合される。分配バス１１５上の入力光信号の一部は、光カプラ１３０（１）によって分割カプラ１５０に向けられ、当該信号の部分が、遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）を介してセンサ３００（１）、３００（２）、…３００（ｎ）に分配される。センサ３００（１）、３００（２）、…３００（ｎ）によって変調された後、受信された部分のそれぞれの部分が遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）に供給される。遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）は、反射された部分が光検出器１２０に同時に到達するのを防ぐために、対応する時間遅延を導入する。反射された部分は、分割カプラ１５０および光カプラ１３０（１）によって光カプラ１３０（２）を介してリターンバス１１６に向けられる。

【0030】

分配バス１１５上の入力光信号のうち分割カプラ１５０に向けられない部分が、光カプラ１３０（１）によって別の光カプラ１３０（１）に向けられ、遅延素子１６０（１）、１６０（２）、…１６０（ｎ）およびセンサ３００（１）、３００（２）、…３００（ｎ）の別のグループに光学的に結合された第２の分割カプラ１５０に光信号を供給するのに用いられる。

【0031】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、たとえば、図２、図３、図５、図８、図９および図１０に図示のとおり、少なくとも１つの光バスをレーザポンプ源１７０に光学的に結合することができる。いくつかの実施例においては、レーザポンプ源１７０は当該技術において周知のさまざまなレーザポンプ源のうちの１つであってもよいが、但し、まだ発明されていない源が用いられてもよい。

【0032】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、たとえば図８、図９および図１０に図示のとおり、少なくとも１つの光バスは１つ以上の光増幅器１８０をさらに含む。たとえば、多数のセンサを多重化するいくつかの実施例は、光増幅器、たとえばエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：erbium-doped fiber amplifiers）を利用する。これらの実施例においては、光増幅器は、センサからの帰還信号が適度な信号対雑音比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）を示すように構成することができる。光増幅器を用いることにより、雑音指数性能を実質的に改善させることができる。いくつかの実施例においては、入力信号のうち１つ以上、反射信号のうち１つ以上または、入力信号および反射信号の両方のうち１つ以上が１つ以上の増幅器によって増幅される。

【0033】

いくつかの実施例はまた、レージングの問題および不安定性を防ぐためにアイソレータを利用することもできる。たとえば図８、図９および図１０を参照されたい。分配バスおよびリターンバスを備えることで、アイソレータを光増幅器とともに用いることが可能となる。装置の全体にわたる損失、たとえばスプライス損失、信号経路を通るすべての素子についての挿入損失、分割損失は、光増幅器によって補償することができる。

【0034】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図８は、図２の構成において、複数の光増幅器１８０が分配バス１１５に光学的に結合され、複数の光増幅器１８０がリターンバス１１６に光学的に結合された状態を示す。源１１０からの入力光信号は、光カプラ１３０（１）によって反射検知素子２００（１）に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅される。反射検知素子２００（１）は、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。受信された部分のうち反射された部分は、光カプラ１３０（１）によって光カプラ１３０（２）を介してリターンバス１１６に向けられる。この場合、信号は、光検出器１２０によって受信される前に少なくとも１つの他の光増幅器１８０によって増幅される。

【0035】

分配バス１１５上の入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分が別の光増幅器１８０によって増幅され、別の光カプラ１３０（１）が、光信号のうち増幅された部分を第２の反射検知素子２００（２）に供給するのに用いられる。検知素子２００（２）からの反射信号は、２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられた後、別の光増幅器１８０によって増幅される。この信号は、リターンバス１１６を介して光検出器１２０へと伝搬しつつ１つ以上の他の光増幅器１８０によって再度増幅され得る。このようにして、入力光信号の部分が、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）によって受信される前に増幅される。同様に、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）からの反射信号は、光検出器１２０によって受信される前に増幅される。

【0036】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図９は、図３の構成において、複数の光増幅器１８０が分配バス１１５に光学的に結合され、複数の光増幅器１８０がリターンバス１１６に光学的に結合された状態を示す。源１１０からの入力光信号は、２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）によって反射検知素子２００（１）に向けられる前に、光増幅器１８０によって増幅される。反射検知素子２００（１）は、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。受信された部分のうち反射された部分は、光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられる。この場合、信号は、光検出器１２０によって受信される前に少なくとも１つの光増幅器１８０によって増幅される。

【0037】

分配バス１１５上の入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分は、別の光増幅器１８０によって増幅され、別の２つの光カプラ１３０（１）および１３０（２）は、光信号のうち増幅された部分を第２の反射検知素子２００（２）に供給するのに用いられる。検知素子２００（２）からの反射信号は、光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられた後、別の光増幅器１８０によって増幅される。この信号は、リターンバス１１６を通って光検出器１２０へと伝搬しつつ１つ以上の光増幅器１８０によって再度増幅され得る。この態様で、入力光信号の部分が、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）によって受信される前に増幅される。同様に、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）からの反射信号は、光検出器１２０によって受信される前に増幅される。

【0038】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図１０Ａは、図５の構成において、複数の光増幅器１８０が分配バス１１５に光学的に結合され、複数の光増幅器１８０がリターンバス１１６に光学的に結合された状態を示す。源１１０からの入力光信号は、光カプラ１３０（１）および光サーキュレータ１４０によって反射検知素子２００（１）に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅される。反射検知素子２００（１）は、受信された部分のうち少なくとも一部を反射する。受信された部分のうち反射された部分は、光サーキュレータ１４０によって光カプラ１３０（２）を介してリターンバス１１６に向けられる。この場合、信号は、光検出器１２０によって受信される前に少なくとも１つの光増幅器１８０によって増幅される。図１０Ｂが示す図１０Ａの構成の特定の例では、レーザ信号源１１０はレーザダイオード（１５５０ｎｍ）を含み、レーザポンプ源１７０は、対応する波分割マルチプレクサによって分配バス１１５およびリターンバス１１６に結合された１対のポンプレーザ（９８０ｎｍ）を含み、検出器１２０は１ＧＨｚ光検出器を含み、光カプラ１３０はカプラ（６０％で１５５０ｎｍ；０％で９８０ｎｍ）を含み、光増幅器１８０は５ｄＢのゲインを有するＥＤＦＡを含む。

【0039】

分配バス１１５上の入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分は別の光増幅器１８０によって増幅され、別の光カプラ１３０（１）および光サーキュレータ１４０は、光信号のうち増幅された部分を第２の反射検知素子２００（２）に供給するのに用いられる。検知素子２００（２）からの反射信号は、光サーキュレータ１４０および光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられた後、別の光増幅器１８０によって増幅される。この信号は、リターンバス１１６を通って光検出器１２０へと伝搬しつつ１つ以上の光増幅器１８０によって再度増幅することができる。こうして、入力光信号の部分が、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）によって受信される前に増幅される。同様に、検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）からの反射信号は、光検出器１２０によって受信される前に増幅される。

【0040】

加えて、光カプラ１３０が分配バス１１５に光学的に結合される結合比とリターンバス１１６に光学的に結合される結合比とは、互いに同じであっても異なっていてもよい。これらの結合比は、最良の雑音指数性能を達成するかまたはセンサからの帰還信号パワーを最大限にするよう最適化され得る。たとえば、図２を参照すると、光カプラ１３０の結合比は、検知素子２００間での信号対雑音の均等化を改善するよう選択または調整することができる。

【0041】

図１１〜図１７は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った反射モードで動作するセンサを利用した光学装置の他の例を示す。増幅器１８０のうち１つ以上は、たとえば、図１３および図１５に見られるように、入力光信号のうち一部が少なくとも１つの検知素子２００によって受信される前に当該入力光信号のうち一部が増幅され得るように、位置決めされ得る。増幅器１８０のうち１つ以上は、図１１および図１６におけるように、反射された部分を増幅するよう位置決めすることができる。増幅器１８０のうち１つ以上は、図１２、図１４および図１７におけるように、入力信号の部分および反射された部分の両方を増幅するよう位置決めすることができる。

【0042】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図１１は、図２の構成において、反射検知素子２００からの反射信号が光カプラ１３０（１）によって方向付けされた後、但し、光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。図１１の光増幅器１８０は、検知素子２００へと伝搬する入力信号を増幅しない。対照的に、図１２は、図２の構成において、入力光信号の部分が光カプラ１３０（１）によって方向付けされた後に光増幅器１８０によって増幅され、かつ検知素子２００からの反射された部分が、光カプラ１３０（１）および１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。

【0043】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図１３は、図３の構成において、入力光信号の部分が、光カプラ１３０（１）によって方向付けされた後、但し光カプラ１３０（２）によって反射検知素子２００に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。図１３の光増幅器１８０は、検知素子２００からの反射部分を増幅しない。対照的に、図１４は、図３の構成において、入力光信号の部分が、光カプラ１３０（１）および１３０（２）によって方向付けされた後に光増幅器１８０によって増幅され、検知素子２００からの反射された部分が光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。

【0044】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図１５は、図５の構成において、入力光信号の部分が、光カプラ１３０（１）によって方向付けされた後、但し光サーキュレータ１４０によって反射検知素子２００に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。図１５の光増幅器１８０は、検知素子２００からの反射部分を増幅しない。この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図１６は、図５の構成において、反射信号が光サーキュレータ１４０によって方向付けされた後、但し光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。図１６の光増幅器１８０は、検知素子２００へと伝搬する入力信号を増幅しない。

【0045】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従うと、図１７は、図５の構成において、入力光信号の部分が光カプラ１３０（１）および光サーキュレータ１４０によって方向付けされた後、但し反射検知素子２００によって受信される前に光増幅器１８０によって増幅され、検知素子２００からの反射された部分も、光サーキュレータ１４０および光カプラ１３０（２）によってリターンバス１１６に向けられる前に光増幅器１８０によって増幅されるように、光増幅器１８０が位置決めされている状態を示す。

【0046】

いくつかの実施例においては、装置は、増幅器毎に２つ以上のセンサを多重化し得る。図７において、少なくとも１つの反射検知素子２００が、上述のとおり、分割カプラ１５０および複数のセンサ３００を含む例を見ることができる。このように、いくつかの実施例においては、すべてのセンサ３００の前または後に増幅器を組込む必要があるわけではない。各々の増幅器１８０の位置およびゲインは、所望の応用例および規格に応じて選択されてもよい。たとえば、図７の構成は、分配バス１１５に沿った各対の連続した光カプラ１３０間と、リターンバス１１６に沿った各対の連続した光カプラ１３０間とに光増幅器１８０を含むが、いくつかの実施例は、分配バス１１５またはリターンバス１１６に沿った各々の連続した対の光カプラ１３０間に光増幅器１８０を備えない。いくつかのこのような実施例は、選択された光カプラ１３０間においてのみ（たとえば、１対おきの光カプラ１３０間、または分配バス１１５およびリターンバス１１６のうちの一方の光カプラ１３０間においてのみ）光増幅器１８０を含む。

【0047】

図４は、さまざまな検知素子２００についての信号対雑音比が実質的に互いに等しくなり得る構成を示す。図４の構成においては、各々の検知素子２００に対応する信号のための増幅の全体量が実質的に互いに等しくなるように、光がシステムを通って伝搬する。この明細書中に記載されるいくつかの実施例においては、たとえば、図４を参照すると、入力光信号の第１の部分が、第１の因子で（たとえば、分配バス１１５の１つの増幅器１８０を通って伝搬することによって）増幅される。入力光信号の第１の部分は検知素子２００（１）によって受信される。検知素子２００（１）からの反射されたそれぞれの部分は、光検出器１２０によって受信される前に第２の因子で（たとえば、リターンバス１１６の複数の増幅器１８０を通って伝搬することによって）増幅される。入力光信号のうち検知素子２００（１）に向けられない部分が、検知素子２００（２）によって受信される前に第３の因子で（たとえば、分配バス１１５の２つの増幅器１８０を通って伝搬することによって）増幅される。検知素子２００（２）からの反射されたそれぞれの部分は、光検出器１２０によって受信される前に第４の因子で（たとえば、リターンバス１１６の１つ少ない数の増幅器１８０を通って伝搬することによって）増幅される。装置は、第１の因子および第２の因子の合計が第３の因子および第４の因子の合計と実質的に等しくなるように構成することができる。いくつかのこのような実施例においては、検知素子２００（１）からの反射信号についての信号対雑音比は、検知素子２００（２）からの反射信号についての信号対雑音比と実質的に等しい。

【0048】

一例として、図４に示される実施例においては、各々の光増幅器１８０が同じ割合のゲインだけ（たとえばゲインｇだけ）増幅した場合、第１の因子はｇになるだろう。というのも、入力光信号は、反射検知素子２００（１）によって受信される前に分配バス１１５のうちの１つの光増幅器１８０によって増幅されるからである。検知素子２００（１）からの反射信号が光検出器１２０によって受信される前にリターンバス１１６のｎ個の光増幅器１８０によって増幅されるので、第２の因子は（ｎ×ｇ）になるだろう。入力光信号の部分が反射検知素子２００（２）によって受信される前に分配バス１１５の２つの光増幅器１８０によって増幅されるので、第３の因子は（２×ｇ）になるだろう。検知素子２００（２）からの反射信号が光検出器１２０によって受信される前にリターンバス１１６の（ｎ−１）個の光増幅器１８０によって増幅されるので、第４の因子は［（ｎ−１）×ｇ］になるだろう。この実施例においては、第１の因子および第２の因子の合計［ｇ＋（ｎ×ｇ）＝（ｎ＋１）×ｇ］は、第３の因子および第４の因子の合計［（２×ｇ）＋（ｎ−１）×ｇ＝（ｎ＋１）×ｇ］と等しい。（たとえば、検知素子２００の両側にある対応する光カプラ１３０（１）と１３０（２）との間にあり、これら対応する光カプラ１３０（１）および１３０（２）を含む）各々の段において損失があるいくつかの実施例においては、各々の光増幅器１８０は、光増幅器１８０からのゲインが対応する段における損失と等しくなり、出力における正味のゲインがなくなるように構成することができる。

【0049】

アクティブアレイ（その一例が図４によって概略的に示される）を備えたいくつかの実施例においては、分配バス１１５およびリターンバス１１６上の光カプラ１３０は、パワーの一部を信号波長（たとえば所与の入力されたパワーバジェットについての信号対雑音のために最適化された結合比）で結合することができる。いくつかの実施例においては、光カプラ１３０はポンプ波長で０パーセントを結合することができ、また、実質的にすべてのパワーをポンプ波長で送信してポンプパワーバジェットを最小限にすることができる。

【0050】

当業者であれば、各々の光増幅器１８０についてのゲインの割合がすべての光増幅器１８０に対して同じである必要がないこと、ならびに、第１の因子および第２の因子の合計を第３の因子および第４の因子の合計に実質的に等しくするために、各々の反射検知素子２００のための光増幅器１８０の数が同じである必要がないことを認識するだろう。当業者は、この明細書中に記載される開示を考慮して、この結果を達成するために増幅器の適正な数および増幅器のゲインの割合を選択することができる。

【0051】

図１８は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った単一の光バスを利用する装置の例を概略的に示す。いくつかのこのような実施例は、入力光信号の分配および戻ってくる反射光信号の送信のために用いられるファイバが１つだけでよいという利点を有する。これらの実施例は、図１８によって概略的に示されるように、光バスの前端において少なくとも１つの光源１１０および少なくとも１つの光検出器１２０を含むよう構成することができる。

【0052】

いくつかの実施例においては、たとえば図１８においては、レーザポンプ源１７０からのポンプおよびレーザ信号源１１０からの非変調信号が装置を通って移動し、光サーキュレータ１４０（１）および光カプラ１３０（１）によって反射検知素子２００（１）に向けられる。検知素子２００（１）からの反射信号は、光カプラ１３０（１）および光サーキュレータ１４０（１）によって光検出器１２０に向けられる。入力光信号のうち反射検知素子２００（１）に向けられない部分は、光サーキュレータ１４０（２）によって光増幅器１８０および反射板１９５に向けられる。反射板１９５は、信号のうち少なくとも一部を光増幅器１８０を介して反射し返し、光サーキュレータ１４０（２）によって光カプラ１３０（２）へと向けられて、信号を検知素子２００（２）に向ける。検知素子２００（２）からの反射された部分は、光カプラ１３０（２）によって光サーキュレータ１４０（２）に戻される。光サーキュレータ１４０（２）は、反射信号を光カプラ１３０（１）に戻す。光カプラ１３０（１）は、光サーキュレータ１４０（１）を介して反射信号を光検出器１２０に向ける。

【0053】

この態様で、入力光信号の部分が、光サーキュレータ１４０および光カプラ１３０によって反射検知素子２００（１）、２００（２）、…２００（ｎ）に向けられる。光サーキュレータ１４０および光カプラ１３０はまた、未変調の入力光信号の部分を光増幅器１８０および反射板１９５に向ける。信号は光増幅器１８０を通過し、次いで反射板１９５によって反射されることによって、光増幅器１８０を再度通過する。信号が光増幅器を２回通過するので、この実施例では、所与のゲインを達成するのに用いられる光増幅器１８０のサイズ（たとえば長さ）を減じることができる。反射板１９５から反射された非変調信号は、装置における残りの検知素子２００を精査する問合せ信号として、装置の残りの部分へと供給される。他方で、この実施例においては、検知素子２００からの反射された部分は、光検出器１２０および他の受信電子機器が存在する前端（たとえば入力信号がシステムに投入される端部）の方にしか向けることができない。

【0054】

装置からの応答信号を前端において光検出器１２０に結合するのに用いられる光サーキュレータ１４０（１）を光アイソレータおよび光カプラの組合せと置換えることができる。当業者であれば、カプラの分割損失に起因する付加的な損失のコストを認識するだろう。さらに、ポンプ波長の信号が検知素子に達するのを防ぐために、システムのうち検知素子を含む部分において光アイソレータを利用することができる。

【0055】

当業者であれば、検知素子からの反射された部分のうち少なくとも一部が増幅器を２回通過するように反射板によって反射され得るように、装置のいくつかの実施例に変更を加えることができることを認識するだろう。

【0056】

いくつかの実施例においては、光学フィルタは、反射された部分が光検出器によって受信される前にフィルタを通過するように光バスに位置決めされる。フィルタはホワイトノイズを除去することができる。

【0057】

図１９は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための例示的な方法５００を示すフローチャートである。方法５００は、図１９の動作ブロック５１０に示されるように、少なくとも１つの光バス１００を備えるステップを含む。光バス１００は複数の光カプラ１３０を含む。少なくとも１つの光バス１００は、複数の光カプラ１３０によって、入力光信号の少なくとも１つの源１１０、少なくとも１つの光検出器１２０および複数の反射検知素子２００に光学的に結合されるよう構成される。複数の反射検知素子２００のうち少なくとも１つの反射検知素子２００（１）が入力光信号の一部を受信し、受信された部分のうち少なくとも一部を反射するように、少なくとも１つの光バス１００が、入力光信号を少なくとも１つの源１１０から複数の反射検知素子２００に送信する。少なくとも１つの光バス１００は、反射された部分を少なくとも１つの光検出器１２０に送信する。方法５００はまた、図１９の動作ブロック５２０に示されるように、少なくとも１つの反射検知素子２００（１）の雑音指数を減じるよう複数の光カプラ１３０の結合比を選択するステップを含む。

【0058】

図２０は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法６００の別の実施例を示すフローチャートである。方法６００は、この明細書中に記載されるように、動作ブロック５１０および５２０を含む。方法６００は、動作ブロック６１０に示されるように、少なくとも１つの光バス１００における損失を補償するよう入力光信号の部分を増幅するステップをさらに含む。

【0059】

図２１は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法６５０の別の実施例を示すフローチャートである。方法６５０は、この明細書中に記載されるように、動作ブロック５１０および５２０を含む。方法６５０は、動作ブロック６６０に示されるように、少なくとも１つの光バス１００における損失を補償するよう、反射された部分を増幅するステップをさらに含む。

【0060】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従って光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法７００の別の実施例が、図２２のフローチャートに示される。方法７００は、この明細書中に記載されるように、動作ブロック５１０および５２０を含む。方法７００はさらに、動作ブロック７１０において第１の因子で入力光信号の第１の部分を増幅するステップと、動作ブロック７２０において第１の検知素子２００（１）によって入力光信号の第１の部分を受信するステップと、動作ブロック７３０において第１の検知素子２００（１）からのそれぞれの反射された部分を第２の因子で増幅するステップと、動作ブロック７４０において入力光信号の第２の部分を第３の因子で増幅するステップと、動作ブロック７５０において第２の検知素子２００（２）によって入力光信号の第２の部分を受信するステップと、動作ブロック７６０において第２の検知素子２００（２）からの反射された部分を第４の因子で増幅するステップとを含む。第１の因子および第２の因子の合計は、第３の因子および第４の因子の合計に実質的に等しい。

【0061】

図２３は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法８００の別の実施例を示すフローチャートである。方法８００は、この明細書中に記載されるように、動作ブロック５１０および５２０を含む。方法８００はさらに、動作ブロック８１０において光増幅器１８０によって入力光信号の部分を増幅するステップと、動作ブロック８２０において光反射板１９５によって入力光信号の部分のうち少なくとも一部を反射するステップと、動作ブロック８３０において、入力光信号の部分のうち光の反射板１９５によって反射された部分を光増幅器１８０によって再度増幅するステップとを含む。

【0062】

いくつかの実施例においては、光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法９００が図２４のフローチャートに示される。方法９００は、この明細書中に記載されるように、動作ブロック５１０および５２０を含む。方法９００はさらに、動作ブロック９１０において、反射された部分を光増幅器１８０によって増幅するステップと、動作ブロック９２０において、反射された部分のうち少なくとも一部を光反射板１９５によって反射するステップと、動作ブロック９３０において、反射された部分のうち少なくとも一部を光増幅器１８０によって再度増幅するステップとを含む。

【0063】

図２５は、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、光バスを複数の反射検知素子に光学的に結合するよう構成するための方法１０００の別の実施例を示すフローチャートである。方法１０００は、この明細書中に記載されるように、動作ブロック５１０および５２０を含む。方法１０００は、動作ブロック１０１０に示されるように、ホワイトノイズを除去するステップをさらに含む。

【0064】

例
図１０Ｂは、この明細書中に記載されるいくつかの実施例に従った、時分割多重化（ＴＤＭ：time-division multiplexing）を利用する例示的な装置１０を概略的に示す。分配バス１１５およびリターンバス１１６は、各々が１つの検知素子２００を含む一連の段によって（たとえば光カプラ１３０（１）と光カプラ１３０（２）との間で）互いに結合される。図２６は、フォトニック結晶膜の走査電子顕微鏡画像を示しており、検知素子２００として図１０Ｂの例示的な装置１０に用いることができフォトニック結晶膜を用いたファブリーペロー（ＦＰ）干渉計センサを概略的に示す。ＦＰセンサは、センサに入射する音波に応答して逸れるよう構成された第１の反射板（たとえば、およそ１．５５ミクロンの広帯域反射板である４５０ｎｍ厚の単結晶シリコンフォトニック結晶ダイアフラム）と、第１の反射板から約２５ミクロン空けて配置されたおよび第２の反射板（たとえば、単一モードＳＭＦ−２８ファイバの裂開された先端）とを含む。このような検知素子２００は、O. C. Akkayaらによる「熱的に安定した高感度で再現可能な音響センサのモデリングおよび実証」（"Modeling and Demonstration of Thermally Stable high-Sensitivity Reproducible Acoustic Sensors"（J. of Microelectromechanical Systems, vo. 21, no. 6, 2012））に記載される。光信号源１１０は、線幅が１５ｋＨｚである低雑音の１５５０ｎｍレーザダイオードを備え、この後に続いて、光アイソレータと、８０ｋＨｚの繰返し率（たとえば１．６％のデューティサイクル）で２００ｎｓパルスを生成する２．５−Ｇｂ／ｓ ＬｉＮｂＯ_３強度変調器とを備える。

【0065】

パルスが分配ファイバ１１５に入射されると、このパルスは第１の段においてカプラ１３０（１）に衝突し、光サーキュレータ１４０を介してこの段に位置する第１の検知素子２００（１）にパルスエネルギのごく一部を結合する。検知素子２００（１）においては、パルスは、検知素子２００（１）に入射する音圧によって変調された振幅である。検知素子２００（１）によって反射された振幅変調済みパルスは、同じサーキュレータ１４０（１）によって段の下部に向けられ、そこで、第２のカプラ１３０（２）がこの振幅変調済みパルスをリターンファイバ１１６上で結合する。分配ファイバ１１５上では、入力パルスのうち第１のカプラ１３０（１）によって送信される部分が第２の段に移動し、そのエネルギのごく一部が第２の段に結合され、そこで第２の検知素子２００（２）が精査される。入力パルスがアレイの端部に到着し、すべての検知素子２００が問合せされてしまうまでこのプロセスが続く。したがって、所与の入力パルスに関して、アレイは一連のＮ個の帰還パルスを発生させる。その各々は特定の検知素子２００を精査したものである。第１の入力パルスがアレイの端部に到達し、検出器１２０に戻ると、第２の入力パルスはアレイに入射可能となり、これにより、検知素子２００が（たとえば、可能な限り頻繁に）問合せされることとなる。帰還パルスは、リターンファイバ１１６の端部に配置された単一の光検出器１２０を用いて前端において検出される。

【0066】

カプラ１３０（１）および１３０（２）は、信号波長について６０％の結合比と名目上同一であった。光サーキュレータは、一方向のみのパルスの送達を可能にし、検知素子２００から分配ファイバ１１５へと反射し返されたパルスの再結合を防止し、これにより、付加的な光アイソレータの使用を回避し、装置１０のコストおよび複雑さを抑制する。光遅延線（たとえば長さ１００メートルのファイバコイル）を各段の間に位置決めして、４８０ｎｓの隣接する帰還パルス間に遅延をもたらして帰還パルス間の一時的なオーバーラップを回避することができる。

【0067】

図１０Ｂの例示的な装置１０は、各々の検知素子２００に等しい光パワーが入射されるよう、かつ、すべての検知素子２００の反応のために同様の出力信号雑音比（ＳＮＲ）を有するよう設計された。パッシブアレイにおいては、不可避の損失により、結果として、パルスが例示的な装置１０を通過するのに応じて減衰され得る。たとえば、カプラ１３０（〜４ｄＢ）における分割損失、カプラ１３０（〜０．５ｄＢ）の挿入損失およびスプライス損失（〜０．０１ｄＢ／スプライス）により、総損失が〜５ｄＢ／段となり、これにより、多数の検知素子２００が多重化されたときに出力ＳＮＲが実質的に劣化する可能性がある。１０個のセンサのパッシブアレイにおいては、この損失は、入射された信号が１０番目のセンサにおいて第１のセンサよりも〜５０ｄＢ低くなるであろうことを示唆する。この著しい減衰により、このようなＴＤＭシステムにおいて多重化することのできる検知素子２００の数を制限することができる。

【0068】

これらの損失を補償するために、複数の低ゲイン光増幅器１８０（たとえばＥＤＦＡ）を用いることができる。当該複数の低ゲイン光増幅器１８０は、たとえば図１０Ｂに図示のとおり、分配ファイバ１１５およびリターンファイバ１１６の両方に沿って、各々のファイバカップラ１３０（１）および１３０（２）よりも前に位置している。これらの増幅器１８０は、レーザポンプ源１７０で遠隔でポンピングすることができ、パルスが例示的な装置１０を通過するのに応じてこれらパルスの全光増幅を可能にし得る。ポンプパワーを節約するために、カプラ１３０はＷＤＭカプラであってもよく、このＷＤＭカプラは、ポンプパワーを分配ファイバ１１５またはリターンファイバ１１６から逸らさないように、ポンプ波長（たとえば９８０ｎｍ）で無視できるほどの結合を呈するものである。増幅器１８０は、強いポンプ飽和下で動作させることができるため、１つの増幅器１８０によっては吸収されないポンプパワーがファイバを下り続けて下流の増幅器１８０をポンピングすることとなる。

【0069】

すべての段から戻ってくるパルス中の等しいパワー、または各ファイバに沿った信号波長での同等にほぼ均一な送信のために、各増幅器１８０のゲインは損失と等しくなるよう設定される。たとえば、ゲインは以下の式を満たし得る。

【0070】

【数1】

【0071】

この場合、Γ_Ｅｒは単一モードファイバとＥｒ添加ファイバ（ＥＤＦ）との間のスプライスの損失であり、Γ_δはカプラ１３０における過剰なパワー損失であり、Ｃは信号波長での結合比である。〜４５ｃｍの長さの商用ＥＤＦを用いて増幅器１８０毎に約５ｄＢのゲインを達成することができる。増幅器１８０は、前端に位置する２つの９８０ｎｍレーザダイオード（たとえば、各々が１−Ａ電流源によって駆動される２つの〜４５０ｍＷレーザダイオード）でポンピングすることができ、ポンプパワーは、最後の増幅器１８０がポンプ飽和されるように十分なパワー（たとえば〜１００ｍＷ）を受信することを確実にするよう選択可能であり、これにより、ポンプパワー変動に対するゲインの依存性を最小限にする。

【0072】

信号波長での結合比が高ければ高いほど、より高い信号が各々の検知素子２００に入力され、すべての検知素子２００に対するＳＮＲがより高くなる。しかしながら、結合比が高ければ高いほど分割損失も大きくなり、このような損失に対処するために各々の増幅器に用いられるゲインがより高くなることにより、各々の増幅器が発生させる雑音がより高くなり、ポンプパワーバジェットがより高くなる可能性がある。図１０Ｂにおける１０個のセンサの例示的な装置の場合、ゲインの上昇による雑音の増加は無視できるほどであった。したがって、ポンプパワーは最適な結合比を決定する際の重要な制約となった。６０％の結合比が選択された。なぜなら、この結合比が各ファイバ上での４５０ｍＷのポンプパワーについての最大値であったからである。

【0073】

この例示的な装置１０の時間領域動作が図２７に示される。Ｓ_ｉｎ（ｔ）は、装置１０に入力された信号パワーを表わし、Ｓ_ｒは受信機に帰還するパルスの各々における信号パワーである（ｒ＝１、２、…１０）。受信端においては、光ゲートが１つの特定の検知素子２００からのパルスを選び出す。これは、入力において強度変調器を駆動するＲＦパルス発生器によってトリガされるＲＦ遅延発生器を適切に設定することによって選択することができる。こうして、光ゲートは、可変遅延を用いて８０ｋＨｚの繰返し率で一連の〜２２０ｎｓパルスを発生させる。図２７に示されるＳ_３から帰還するパルスなどの遅延を変えることによって、Ｓ_ｒにおける個々の各センサの反応を一度に１センサずつ選択および分析することができる。光ゲートの後にＥＤＦＡモジュールが続き、パルスを予め増幅し、ゲートの挿入損失を補償する。このＥＤＦＡの後に、〜１ｎｍ帯域幅の光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：band-pass filter）が続く。このフィルタは、ＥＤＦＡによって生成される増幅自然放出（ＡＳＥ：amplified spontaneous emission）のうち信号帯域幅の範囲外となる部分を受付けず、これにより実質的にパルスＳＮＲが改善される。ＢＰＦの出力は、１ＧＨｚのＩｎＧａＡｓ ＰＩＮフォトダイオードによって検出される。フォトダイオード信号は、２４ｄＢの電圧利得および２．９ｄＢの雑音指数で電圧増幅器によって増幅される。電圧増幅器出力は、信号を分析するために動的信号分析器（ＤＳＡ：dynamic signal analyzer）に供給される。

【0074】

図１０Ｂの例示的な装置１０は一度に１段ずつ組立てられたものであった。次の段を組立てる前に、アレイ出力を監視して、マルチパス干渉または擬似的な反射による変動がなかったことを確認した。最後に設置された段から帰還する信号パルスの雑音と、その段を通過するポンプパワーも、例示的な装置１０の性能を監視するために測定された。

【0075】

個々の検知素子２００の音響特性化は、〜０．１ｍＷの平均的な光信号パワーを例示的な装置１０に入射することによって実行された。１０個のすべての検知素子２００は例示的な装置１０に接続され、特性化すべき検知素子２００は反射防止壁で音響的に隔離されたエンクロージャに配置された。このエンクロージャによって、特に低周波測定に影響を及ぼすであろう環境雑音が最小限にされた。チャンバの内部に位置する音響源は、固定周波数で動作させた。エンクロージャの反射防止壁は、壁からの反射による音響共振を抑制して、定在波の形成を防止し、チャンバ内の音圧をほぼ均一にした。ＲＦ発生器上の遅延を調整することによって、テスト中の特定の検知素子２００の出力パルスが選択され、この検知素子２００の反応のＳＮＲがＤＳＡで分析された。

【0076】

入力パルス列Ｓ_ｉｎ（ｔ）は、幅ζの一時的なパワー分配Ｒｅｃｔ（ｔ／ＤＴ）、繰返周期ＴおよびデューティサイクルＤ＝ζ／Ｔである周期的な一連の方形波である。これは、無限の周期的な一連のディラック関数Λおよび方形パルスの時間領域において畳み込みとして数学的に記載することができる。

【0077】

【数2】

【0078】

ここで、ｚは測定窓（measurement window）の期間である。式２のフーリエ変換を採用することにより、このパルス列の周波数領域表現は以下のように計算することができる。

【0079】

【数3】

【0080】

これは、包絡線がｓｉｎｃ（ＤＴｆ）によって変調されている一連のディラックデルタ関数である。このようなパルス列上のパルスに適用された振幅変調により、信号の周波数スペクトルＺ_ｉｎ（ｆ）に側波帯が導入される。これらの側波帯は、出力信号を復調し、かつ出力パルスシーケンスから音響信号を回復するために用いられた。較正は、テスト中にエンクロージャの内部において検知素子２００から約１ｃｍ離れたところに配置された較正済み基準マイクロホンを介して実際の入射音圧を測定することによって実行された。検知素子反応のＳＮＲは、音響信号の周波数でノイズフロアに対して側波帯の振幅を比較することによって特徴付けられた。最小検出可能圧力（ＭＤＰ：minimum-detectable-pressure）は、μＰａ／√Ｈｚでは、ＳＮＲによって（基準マイクロホンで測定された）音圧を分割することによって得られた。

【0081】

式３によって証明されるように、信号の振幅はデューティサイクルに応じて直線的に縮小拡大する。というのも、変調されているパルスのエネルギがパルス幅に比例しており、雑音に対するデューティサイクルの影響が図１０Ｂの例示的な装置１０の場合と同様に、光検出器の熱雑音によって制限される場合には最小限になるからである。したがって、これらの実験条件下では、ＳＮＲは、Ｄに応じて直線的にスケーリングする。この点を実験的に確認するために、（例示的な装置１０に光学的に接続された）特定のセンサが音響エンクロージャに挿入され、例示的な装置１０の他のすべての検知素子２００を光学的に遮断した。（繰返周期を８０ｋＨｚで一定に維持しつつ）パルス幅が高くなると、反応のＳＮＲが測定された。結果を図２８に示す。図に示される直線回帰は０．９の傾斜を有する。デューティサイクルが０．４％〜１００％に変化したとき、測定されたＳＮＲがデューティサイクルに応じてほぼ直線的に増加し、傾斜が１の期待値に近くなることが分かった。

【0082】

式３に関連した上述の復調技術は１０個の検知素子２００の各々に対して個々に行われ、すべての検知素子２００は例示的な装置１０において接続された。これらの測定中に、テスト中の検知素子２００が音響源（１２．５ｋＨｚで１００ｍＰａ）に晒される一方で、他の９個の検知素子２００が（音響エンクロージャ外部の）音響信号から分離された。測定されたＳＮＲの分配を図２９に示す。この周波数での１０個のすべての検知素子２００についての平均ＳＮＲは４３．８３ｄＢ Ｈｚ^１／２となるよう測定され、検知素子２００同士の標準偏差は０．６７ｄＢ Ｈｚ^１／２、最大偏差は±０．９５ｄＢ Ｈｚ^１／２であった。ＳＮＲのこのわずかな偏差は、例示的な装置１０における多数のＦＰ干渉計検知素子２００の多重化に対して有用であった。

【0083】

検知素子反応間のクロストークを特性化するために、上述のＳＮＲ特性化手順が繰返されたが、音響源によって変調されたものに隣接している９つの残りのパルスの各々に対する出力光ゲートは、１つずつ切替えられた。このようにして、隣接するチャネルによって拾い上げられた音響周波数での如何なる不所望な信号も、たとえば、変調器の有限消光比、パルス間の一時的なわずかなオーバーラップなどの結果として起こり得るものとして、識別が要求された。ノイズフロア（−２２ｄＢ）を上回る信号は９個の非励起の検知素子２００のいずれにも観察されず、図１０Ｂの例示的な装置１０のクロストークが−２２ｄＢよりも良好になるという結論に達した。上述したように、サンプリング周期における１パルスが、変調された振幅である場合、周波数領域復調方策により、出力信号の復調が可能となる。すべての検知素子２００を同時に励起しつつ、たとえば、１周期におけるすべてのパルスを振幅変調しつつ出力信号を復調するために、入力強度変調器および出力光ゲートの消光比を高くなる（たとえば、＞５０ｄＢ）よう選択することができる。たとえば、消光比についてのこの条件は、直列に接続され互いに同期して駆動される２つの変調器を用いることによって達成され得る。

【0084】

例示的な装置１０が偏光の影響を受けないことを証明するために、偏光制御器が第５の段上で検知素子２００と光サーキュレータ１４０との間に挿入され、その特定の検知素子反応についてのＳＮＲが、偏光制御器の多数の設定（たとえば、本質的にあらゆる可能な偏光の入力状態（ＳＯＰｓ：states of polarization））に関してテストされた。偏光状態が変化してもＳＮＲの変動は観察されなかった。実用化する際に、検知素子２００上に入射する入力ＳＯＰは、外部の温度変化のせいでランダムに変動する可能性があり、このテストは、図１０Ｂの例示的な装置１０がこのような変動に影響されないことを示す。

【0085】

アレイ出力パルスに対する主要な雑音寄与およびこれらの寄与に影響を及ぼすパラメータを理解するために、各々の検知素子から帰還する信号とこれに伴う雑音とをモデル化することができる。式１に記載されるように、均一な送信をもたらすようゲインが選択された場合、すべての検知素子から帰還するパルスピークパワーＰ_ｓが等しくなり、以下のとおりとなる。

【0086】

【数4】

【0087】

この場合、Ｐ_ＩＮはアレイに入力されたパルスのピークパワーであり、Г_γは各サーキュレータにおける過剰なパワー損失であり、Ｌ_Ｓはセンサ損失である。センサに入射した光パワーがＰ_ｉであれば、最も高い感度波長での反射パワーがＰ_ｉ／４となる。したがって、センサ損失がＬ_Ｓ＝６ｄＢとなる。

【0088】

検出された信号中の総雑音は概して５個の主要な源、すなわちＥＤＦＡ雑音、信号ショット雑音、光検出器の熱雑音、レーザ相対強度雑音（ＲＩＮ：relative intensity noise）、およびセンサの熱力学的雑音を有する。ＡＳＥ信号は連続波信号であるため、累積的であり、すべての検知素子反応に対して同じである。フォトダイオードにおいて検出される総ＡＳＥパワーは、２つのファイバ上のすべてのＥＤＦＡによって生成されるＡＳＥパワーの合計である。ＡＳＥ信号は信号パルスと同じ経路を横断し、個々のファイバ上の正味のゲインまたは損失を被らない。これらＡＳＥ信号は分配ファイバから分離し、検知素子において反射され、リターンファイバに結合されて検出器に送信される。検出器において蓄積されたＡＳＥパワーを計算するために、分配ファイバ上のこの段から上流に位置するすべてのＥＤＦＡから特定の段に結合される総ＡＳＥパワーが計算される。これらＡＳＥ信号の各々は、段を下っていき、検知素子においていくらかのパワー損失を被り、残りの６０％のＡＳＥパワーがカプラによって段の底においてリターンファイバに結合される。次いで、これらの１０個のＡＳＥ信号を、リターンファイバ上のすべてのＥＤＦＡによって生成される総ＡＳＥパワーに追加することができる。このプロセスによって計算される蓄積されたＡＳＥは以下のように表わすことができる。

【0089】

【数5】

【0090】

ここで、Ｎ_Ａ＝ｎ_ｓｐ（Ｇ−１）であり、ｎ_ｓｐは自然放出因子（１．５）であり、Ｍはモードの数（単一モードファイバの場合、２）であり、ｈはボルツマン定数であり、νは光周波数であり、Δνは光学帯域幅である。

【0091】

検出器においては、ＡＳＥ信号が信号−自然放出（ｓ−ｓｐ）ビート雑音、自然放出−自然放出（ｓｐ−ｓｐ）ビート雑音および自然放出ショット雑音を発生させる。Ｗ／√Ｈｚで表わされるこれらの項の各々についての雑音等価パワー（ＮＥＰ：noise equivalent powers）は以下のとおり記載することができる：

【0092】

【数6】

【0093】

ここで、Ｄ＝τ／Ｔは信号のデューティサイクルであり、ｑは電子電荷であり、ρはフォトダイオード応答性である。入力信号の強度雑音は、（−１４０ｄＢ／Ｈｚとして測定される）レーザのＲＩＮの項において表わされる。

【0094】

【数7】

【0095】

信号ショット雑音は、以下のとおり、検出された光パワーに関連する。

【0096】

【数8】

【0097】

高速の応用例の場合、光検出器の熱雑音は総雑音のかなりの割合をなす可能性がある。図１０Ｂにおいて用いられる１Ｇｂｉｔ／ｓのＩｎＧａＡｓフォトダイオードは、製造業者によって規定されるように、２０ｐＷ／√ＨｚのＮＥＰを有した。１２．５ｋＨｚでの検知素子の熱力学的雑音は０．３６ｐＷ／√Ｈｚであった。これらの寄与の各々が統計的に相互に関連しないと想定すると、総雑音は、これらの雑音寄与の２乗の和の二乗根である。

【0098】

図３０は、例示的な装置１０についての検知素子２００の数の関数として計算されたこれらの７つの雑音寄与を示す。一番上の曲線は総雑音を表わす。図３０は、入力パワー

【0099】

【数9】

【0100】

では、検知素子の熱力学的雑音およびレーザ強度雑音が無視できるほどであることを示す。同様に、信号ショット雑音およびＡＳＥショット雑音は、信号−自然放出および自然放出−自然放出ビート雑音の項と比較して、無視できるほどである。Ｎ＜３０の場合、検出器の熱雑音はノイズフロアに対して支配的な影響を及ぼす。さらに、雑音は、入力パワーおよびデューティサイクルとは無関係である。３０＜Ｎ＜４０の場合、信号−ＡＳＥのビート雑音が顕著となる。Ｎ＞４０の場合、ＡＳＥ−ＡＳＥビート雑音が顕著になり始め、雑音が劣化しすぎる前に追加することのできる段の数に対する限定要因となる。幾つかの検知素子の後に、ＡＳＥ−ＡＳＥビート雑音が装置１０の信号−ＡＳＥビート雑音を上回る理由として、追加された各々の段によってＥＤＦＡ（たとえばＡＳＥ電源）の数が増えてしまうのに対して、信号パワーが一定であることが挙げられる。

【0101】

図１０Ｂの１０個の検知素子に関して、モデルにより、−１０８．１ｄＢＶ／√Ｈｚ（図３０を参照）の総雑音が予測される。これは、−１０７．５ｄＢＶ／√Ｈｚという実験的に測定された値とほぼ一致している。この雑音は、音響源がオフである間にＤＳＡでアレイ出力を分析することによって実験的に測定された。

【0102】

音響源がオンにされて０．１Ｐａの圧力にされたとき、図１０Ｂの例示的な装置１０の平均ＳＮＲは、１２．５ｋＨｚでは４３．８３ｄＢ Ｈｚ^１／２であった。このＳＮＲは、この〜６４０μＰａ／√Ｈｚの周波数では平均ＭＤＰに対応しており、１０個のすべての検知素子に関して最大偏差がわずかに±６０μＰａ／√Ｈｚとなる（ＭＤＰ＝Ｐ_{ａｃｏｕｓｔｉｃ}／ＳＮＲ）。この偏差は３つの因子から生じる。（１）先に述べた±０．３ｄＢの個々の検知素子感度の変動；（２）ＥＤＦＡ間のゲインの変動；および（３）構成要素規格、特に結合比、挿入損失の変動；などである。例示的な装置１０の外部で個々に作動させる１０個の検知素子の平均ＭＤＰは同じ周波数で〜６．３μＰａ／√Ｈｚとなるよう予め測定された。〜６．３μＰａ／√Ｈｚ（個々の検知素子）と〜６４０μＰａ／√Ｈｚ（例示的な装置１０における検知素子）との差は３つの寄与に起因している可能性がある。まず第一に挙げられるのは、図２８において実験的に確認されたとおり、熱雑音限界での入力信号のデューティサイクルに比例したＳＮＲの劣化である（１．６％、または−１８ｄＢ）。第２の理由として、個々の検知素子の測定値と比較して、例示的な装置１０において用いられるより低い入力光パワー（４倍または−６ｄＢ）が挙げられる。第３の相違点として、個々の検知素子の測定値においては、雑音がレーザＲＩＮによって制限され、これが例示的な装置１０において用いられる検出器の熱雑音と比較して３ｄＢ倍だけ高かったことが挙げられる。これらの組合わされた寄与は合計で−２１ｄＢとなるか、またはＳＮＲの１２５分の１に相当し、これは、測定されたＭＤＰの１００倍の増加と一致している。なお、この実現例においては、実用上の理由から、各々の段同士の間の遅延線が必要以上に長かったことに留意されたい。これらの長さを単に５０％短くすることで、システムに他の何らかの変更を加えることなく、このバジェットを３ｄＢだけ改善し、これにより、ＭＤＰを１２．５ｋＨｚで〜３２０μＰａ／√Ｈｚにまで低下させることとなるだろう。しかしながら、大規模センサアレイの応用例では、概して、各段において音響的に感度の低い基準反射板を用いて、関連する損失を監視して、隣接するセンサ間にパルスの２倍の幅を割当てる。

【0103】

図１０Ｂの構成で多重化することのできる検知素子の最大数と最小検知可能圧力とを定量化するために、検知素子を例示的な装置１０において動作させたときに例示的な装置１０によって追加される雑音を計算することができる。特に、入力信号と出力信号とのＳＮＲの比率として規定される例示的な装置１０の雑音指数は理論的に分析することができる。雑音指数を決定するために、式４〜式８は、入力信号の関数として出力信号と、例示的な装置１０の入出力の両方における雑音とを計算するために用いることができる。このシステム雑音は結果としてＭＤＰを劣化させ、検知素子の数に応じて大きくなる。

【0104】

図３１は、最適なデューティサイクルであると想定して、多重化された検知素子の数に対するＭＤＰ（１０ｌｏｇ_１０規模）の依存性を示す。図３１によれば、３５０個のセンサが図１０Ｂのアーキテクチャで多重化されたときに、１ｎｍのフィルタ帯域幅では、〜３０ｍＰａ／√ＨｚのＭＤＰを達成することができることが明らかになる。検知素子の数がより多い場合、ＴＤＭに加えてＷＤＭを組込むことができる。たとえば、適度な１０チャネルのシステムの場合、多重化検知素子の数を石油探査産業の要件に近い最大〜３５００まで増やすことができる。この図はまた、達成されたＭＤＰに対するＡＳＥパワーの帯域幅の作用を定量化したものであり、検出器に到達するＡＳＥパワーの帯域幅を低減させるために、かつ、特に多数の検知素子を備えたシステムの場合に自然放出−自然放出ビート雑音を最小限にするために例示的な装置１０の出力で光ＢＰＦを利用するという利点を実証している。

【0105】

この明細書中に記載されるいくつかの実施例は、時分割多重化方式に基づいたものであるかまたはこれを利用したものである。当業者であれば、時分割多重化に加えて、波長分割多重化を組込むことによって、この明細書中に記載されるいくつかの実施例で多重化することのできる検知素子の数を増やすこともできることを認識するだろう。

【0106】

本発明のさまざまな実施例を上述してきた。これらの特定の実施例に関してこの発明を説明してきたが、この説明は本発明を例示するよう意図したものであり、限定するよう意図したものではない。さまざまな変形例および応用例が、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の真の精神および範囲からから逸脱することなく当業者に想到され得る。

【符号の説明】

【0107】

１０ 光学装置、１００ 光バス、１１０ 源、１２０ 光検出器、２００ 反射検知素子。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】