DE69914981T2

DE69914981T2 - Vibrationssensor mit optischem Wellenleiter für Fernmessung

Info

Publication number: DE69914981T2
Application number: DE69914981T
Authority: DE
Inventors: David B. La Crescenta Hall; Donald A. Woodland Hills Frederick; Samuel N. Studio City Fersht
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2019-07-29
Also published as: CA2278356A1; EP0977022A2; JP2000065633A; CA2278356C; EP0977022B1; DE69914981D1; EP0977022A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Sensoren zum Erfassen von mechanischen Vibrationen wie beispielsweise Schallwellen, die sich durch die Erde oder durch Strukturen, die aus festen Materialien gebildet sind, ausbreiten. Insbesondere betrifft diese Erfindung Sensoren, die Interferometer einschließen, um mechanische Vibrationen zu erfassen.
Elektromechanische Sensoren, wie Geophone, werden verwendet, um mechanische Vibrationen in dem Boden aufzunehmen. Andere elektromechanische Sensoren, beispielsweise piezoelektrische Hydrophone, werden verwendet, um akustische Vibrationen unter Wasser zu erfassen. Die Ausgänge von diesen Sensoren sind der Art nach elektrisch und müssen an einen entfernten Ort für eine Datenzurückgewinnung zurückgesendet werden. Koaxialkabel oder verdrallte Doppeladerkabel mit einer begrenzten Bandbreite und einem begrenzten Bereich müssen verwendet werden. Gewöhnlicherweise ist eine aktive Signalverstärkung des Sensorausgangs notwendig, um einen ausreichend großen Ausgang an dem entfernten Ort zum Ermitteln von irgendwelchen nützlichen Daten zu erhalten.
Das U.S. Patent mit der Nummer 5.497.233 für Optical Waveguide Vibration Sensor and Method, erteilt am 27. Juli 1994 für Douglas A. Meyer und der Litton Systems, Inc. Übertragen, führt das Konzept ein, einen Wellenleitermodulatorchip mit dem Spannungsausgang eines elektromechanischen Sensors anzusteuern. Meyer offenbart einen Sensor, bei dem der Kanalwellenleiterchip nicht ein Teil eines großen faseroptischen Interferometers ist. Es ist nicht möglich eine ausreichend große Pfadlängen-Fehlübereinstimmung oder eine ausreichend große Transitzeit-Verzögerungs-Fehlübereinstimmung innerhalb des Wellenleiterchips zu erhalten, um das von Meyer beschriebene Konzept mit gegenwärtigen faseroptischen Architekturen zu implementieren.
Für eine frequenzmodulierte Quelle sollte das Produkt der Transitzeit-Verzögerungs-Fehlübereinstimmung und der maximalen periodischen Frequenzexkursion der optischen Frequenz in der Größenordnung von eins sein. Für Lithiumniobat könnte eine Fehlübereinstimmung mit großer Schwierigkeit erzielt werden. Dies entspricht einer Transitzeit-Verzögerungs-Fehlübereinstimmung von sieben Pikosekunden, was eine Exkursion in der optischen Frequenz in der Größenordnung von 100 GHZ erfordert. Diese maximale Frequenzexkursion (Frequenzabweichung) muss auf einer periodischen Basis in Zeiten viel kleiner als eine Millisekunde erzielt werden, was über den gegenwärtigen Stand der Technik hinausgeht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Vibrationssensor-Aufbau in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 definiert. Er umfasst einen optischen Wellenleiter, der in einem Substrat in integrierter Optik gebildet ist, und ein optisches Interferometer, welches gebildet ist, um zwei optische Pfade aufzuweisen, mit dem optischen Wellenleiter in einem ersten der optischen Pfade eingeschlossen. Eine optische Signalquelle ist angeordnet, um ein optisches Signal an dem optischen Interferometer derart bereitzustellen, dass das optische Interferometer ein Interferenzmuster erzeugt, welches die Phasendifferenz zwischen optischen Signalen anzeigt, die sich in den zwei optischen Pfaden ausbreiten. Ein Kanalwellenleiter-Phasenmodulator ist auf dem Substrat gebildet und angeordnet, um optische Signale, die von dem optischen Wellenleiter geführt werden, in der Phase zu modulieren. Ein Signaleingang kann von einem Geophon kommen, welches angeordnet ist, um ein elektrisches Signal im Ansprechen auf mechanische Vibrationen zu erzeugen. Das Geophon ist mit dem Kanalwellenleiter-Phasenmodulator derart verbunden, dass das elektrische Signal die Faser des optischen Signals, welches von dem optischen Wellenleiter geführt wird, so moduliert, dass das Interferenzmuster die Amplitude der mechanischen Vibrationen anzeigt. Der Vibrationssensor-Aufbau umfasst ferner einen Phasenmodulator, der angeordnet ist, um die Phase des optischen Signals zu modulieren, bevor das optische Signal dem optischen Wellenleiter eingegeben wird.
Das Interferometer, das in dem Sensorsystem enthalten ist, kann in entweder der Mach-Zender oder Michelson-Konfiguration gebildet sein. Die Interferometer können in einem Feld angeordnet sein, um Vibrationen an einer Vielzahl von Stellen zu überwachen.
Eine Würdigung der Zielrichtung der vorliegenden Erfindung und ein vollständiges Verständnis von ihrem Aufbau und dem Betriebsverfahren kann durch Studium der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gewonnen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Vibrationssensorsystem mit einem optischen Wellenleiter in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
2A einen Vibrationssensor mit optischem Wellenleiter, der ein Michelson-Interferometer mit einem Phasenmodulator in einem Zweig davon einschließt;
2B einen Vibrationssensor mit optischem Wellenleiter, der ein Michelson-Interferometer mit einem Gegentakt-Phasenmodulator und optischen Fasern gekoppelt mit einem Paar von optischen Wellenleiter einschließt.
2C einen Vibrationssensor mit optischem Wellenleiter, der ein Michelson-Interferometer mit einem Gegentakt-Phasenmodulator und einer optischen Faser gekoppelt mit einem von zwei optischen Wellenleiter einschließt;
3 ein Vibrationssensorsystem mit optischem Wellenleiter, das eine Frequenzteilungs-Multiplexierungs-(Frequency Division Multiplexing, FDM) Architektur aufweist; und
4 ein Vibrationssensorsystem mit optischem Wellenleiter, das eine Zeitteilungs-Multiplexierungs-(Time Division Multiplexing, TDM) Architektur aufweist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt die grundlegenden Prinzipien eines Vibrationssensors 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Eine optische Signalquelle 12 stellt optische Signale an einer optischen Faser 14 bereit. Die optische Signalquelle ist typischerweise ein Laser. Die optischen Signalen gehen durch einen Phasenmodulator 16 zu einer optischen Faser 21. Der Phasenmodulator 16 ist angeordnet, um elektrische Signale von einem Treiber (Ansteuereinheit) 18 zu empfangen.
Optische Signale, die von dem Phasenmodulator 16 ausgegeben werden, breiten sich dann in der optischen Faser 21 zu einem optischen Koppler 22 aus. Der optische Koppler 22 weist vorzugsweise ein Kopplungsverhältnis von 0,5 auf, so dass eine Hälfte der Intensität des optischen Signals in der optischen Faser 21 verbleibt, während eine Hälfte in eine optische Faser 24 eingekoppelt wird.
Die optische Faser 21 weist ein Ende 26 auf, die mit einem Ende 27 eines optischen Wellenleiters 28 stumpf gekoppelt ist, der in einem Substrat 30 gebildet ist. Das Substrat 30 umfasst vorzugsweise Lithiumniobat oder ein anderes Material, welches sich dafür eignet, um als ein Substrat für einen Wellenleiter in integrierter Optik zu dienen. Ein Paar von planaren Elektroden 32 und 34 sind auf der Oberfläche 36 des Substrats 30 gebildet. Die Elektroden 32 und 34 sind angeordnet, um auf gegenüberliegenden Seiten des optischen Wellenleiters 28 zu sein. Die Anordnung des optischen Wellenleiters 28 und der Elektroden 32 und 34 bildet einen Phasenmodulator 38.
Das andere Ende 40 des optischen Wellenleiters 28 ist mit einer optischen Faser 42 stumpf gekoppelt. Die optische Faser 42 empfängt optische Signale, die von dem optischen Wellenleiter 28 ausgegeben werden, und führt sie an einen optischen Koppler 44, der die optischen Faser 24 und 42 optisch koppelt. Optische Signale, die von der Faser 24 und 42 geführt werden, werden in dem optischen Koppler 44 kombiniert und bilden ein Interferenzmuster. Ein Fotodetektor 46 ist angeordnet, um die kombinierten optischen Signale, die von der optischen Faser 42 geführt werden, von dem optischen Koppler 44 heraus zu empfangen. Der Fotodetektor 46 erzeugt elektrische Signale, die die optische Intensität in dem Interferenzmuster anzeigen. Die elektrischen Signale, die von dem Fotodetektor 46 ausgegeben werden, werden dann einem Demodulator 48 eingegeben, der die elektrischen Signale verarbeitet.
Die Elektroden 32 und 34 empfangen elektrische Signale von einem Geophon 50. Das Geophon 50 erzeugt elektrische Signale, die eine Vibration einer Plattform 52, auf der das Geophon 50 angebracht ist, anzeigen. Der Phasenmodulator 38 wirkt dann auf den optischen Wellenleiter 28 derart ein, dass optische Signale, die von dem optischen Wellenleiter 28 geführt werden, eine optische Phasenverschiebung proportional zu der angelegten Spannung von dem Geophon 50 erfahren.
Die Kombination der optischen Fasern 21 und 42, der optischen Koppler 22 und 44 und des optischen Wellenleiters 28 ist ein Mach-Zender-Interferometer 51. Die optische Faser 24 bildet einen Zweig des Mach-Zender-Interferometers. Der optische Wellenleiter 28, die Länge der optischen Faser 21 zwischen dem optischen Koppler 22 und dem optischen Wellenleiter 28 und dem Abschnitt der optischen Faser 52 zwischen dem optischen Wellenleiter 28 und dem optischen Koppler 44 bilden den anderen Zweig. Das Interferometer wird verwendet, um die optische Phasenverschiebung zu erfassen, die durch Vibration der Anbringungsplattform 52 des Geophons 50 verursacht wird.
Die relativ kurzen faseroptischen Abschnitte des Interferometers erfassen die vibrationsmäßige Bodenbewegung nicht. Sie werden als Mittel zum Erhalten einer ausreichenden Pfadlängen-Fehlübereinstimmung zwischen den zwei Zweigen für eine optische Signalverarbeitung mit einer geeigneten Frequenzmodulation der Laserquelle verwendet.
Pfadlängen-Fehlübereinstimmungen in dem Bereich zwischen einigen wenigen Zentimetern und einigen wenigen Metern machen die vorliegende Erfindung mit existierenden faseroptischen Sensor-Architekturen kompatibel. In jedem Fall ist der Gesamtbetrag der Faser in dem Interferometer nicht mehr als einige wenige Meter und kann in einem vibrations-isoliertem Schutzgehäuse verpackt werden, um irgendeine unerwünschte Erfassung von Bodenvibrationen zu minimieren. Langsame Drifts der optischen Pfadlängen innerhalb des Faserzweigs werden über der Zeit und der Temperatur vorhanden sein. Für eine Änderung von einem Grad Celsius in der Temperatur in einer Minute gibt es typischerweise eine Streifenbewegung entsprechend zu 0,1 Hz für eine Pfadlängen-Fehlübereinstimmung von einem Meter. Bei Bodenvibrationsfrequenzen über einem Minimum von einem bis fünf Hz ist die Streifenbewegung vollständig die Folge des Kanalwellenleiter-Modulatorchips.
Die 2A–2C zeigen andere Interferometer-Aufbauten, die anstelle des Interferometers 51 verwendet werden können, um einen Sensor in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zu bilden. Zur Vereinfachung sind keine elektromechanischen Sensoren gezeigt; jedoch sind die Polaritäten der angelegten Sensorspannungen als Plus und Minus Vorzeichen auf den Elektroden auf den Phasenmodulatoren gezeigt.
2A zeigt ein Michelson-Interferometer 60 mit Fehlübereinstimmung mit einem Einzelzweig-Phasenmodulator 62. Ein Substrat 64 weist einen darauf gebildeten optischen Wellenleiter 66 auf. Ein Paar von Elektroden 68 und 70 sind auf gegenüberliegenden Seiten des optischen Welleleiters 66 gebildet. Eine optische Faser 72 führt Licht von einer optischen Signalquelle an einen optischen Koppler 74. Ein Teil des Lichts, das auf den optischen Koppler 74 einfällt, bleibt in der optischen Faser 72, die mit dem optischen Wellenleiter 66 stumpf gekoppelt ist. Der Rest des Quellenlichts, das auf den optischen Koppler 74 einfällt, wird in einer optischen Faser 80 gekoppelt, die an einem Reflektor 82 endet. Der optische Wellenleiter 66 endet an einem Reflektor 84, um die Architektur des Michelson-Interferometers zu vervollständigen. Das Michelson-Interferometer weist den Vorteil auf, dass der Signaleingang veranlasst wird zwei Durchläufe durch den Phasenmodulator 62 auszuführen. Für eine gegebene Länge der Elektroden 68 und 70 gibt der Doppeldurchlauf durch den Phasenmodulator 62 zweimal den Skalierungsfaktor von Radians pro Volt im Vergleich mit dem Einzeldwchgang-Mach-Zender-Interferometer der 1.
2B zeigt ein anderes Michelson-Interferometer 90 mit einem Gegentakt- Phasenmodulator 92, der zwei Zweige umfasst. Eine Konfiguration eines optischen Wellenleiters ist so gebildet, dass sie ein Paar von parallelen optischen Wellenleitern 100 und 102 in einem Substrat 104 aufweist. Ein Paar von Enden der optischen Wellenleiter 100 und 102 der optischen Wellenleiter 100 und 102 sind durch eine optische Wellenleiter-Konfiguration 106 mit Y-Übergang gekoppelt. Drei parallele Elektroden 110–112 sind auf der Oberfläche des Substrats 104 gebildet. Die Elektroden 110–112 und die optischen Wellenleiter 100 und 102 sind so angeordnet, dass der optische Wellenleiter 100 zwischen den Elektroden 110 und 111 ist und der optische Wellenleiter 102 zwischen den Elektroden 111 und 112 ist.
Ein Ende einer optischen Faser 113 ist mit dem Ende des optischen Wellenleiters 100 gekoppelt. Das andere Ende der optischen Faser 113 endet an einem Reflektor 114. Ein Ende einer optischen Faser 117 ist auch mit dem Ende des optischen Wellenleiters 102 gekoppelt. Die optische Faser 117 endet in einem Reflektor 116, um das Michelson-Interferometer 90 zu vervollständigen. Die optischen Fasern 113 und 117 weisen unterschiedliche Längen auf, um die gewünschte Fehlübereinstimmung in den optischen Pfadlängen in dem Michelson-Interferometer 90 bereitzustellen.
Der Ausgang mit der positiven Polarität des Geophons 50, wie in 1 gezeigt, wird an die Elektroden 110 und 112 angelegt, während der Ausgang mit der negativen Polarität an die Elektrode 111 angelegt wird. Deshalb weisen optische Signale, die von den optischen Wellenleitern 100 und 102 geführt werden, entgegengesetzte Fasenverschiebungen auf. Die optischen Wellenleiter 100 und 102 enden an Reflektoren 114 bzw. 116, um die Architektur des Michelson-Interferometers zu vervollständigen.
Optische Signale werden dem Michelson-Interferometer 90 über eine optische Faser 120 eingegeben, die mit einem Zweig 122 des Y-Übergangs 106 stumpf gekoppelt ist. Für eine gegebene Länge der Elektroden 110–112 ergibt die Doppeldurchlauf-Gegentakt-Michelson-Interferometer-Konfiguration vier mal den Skalierungsfaktor von Radians pro Volt im Vergleich mit der Einzeldurchlauf-Mach-Zender-Konfiguration. Die Faseranschlussenden mit ungleicher Länge 113 und 117 stellen die benötigte Längen-Fehlübereinstimmung bereit. Für einen effizientesten Betrieb sind diese optischen Anschlussfasern 113 und 117 polarisationserhaltende Fasern, die im Hinblick auf den Kanalwellenleiter 100 und 102 richtig orientiert sind. In den 1, 2A und 2B sind die Übergänge zwischen optischen Fasern und optischen Wellenleitern angewinkelt, um unerwünschte Rückreflektionen zu beseitigen. Die Reflektoren 82, 84, 114 und 116 sind für einen normalen Einfall angeordnet, um die reflektierten Signale in den Michelson-Interferometern 60 und 90 zu maximieren.
Der Gegentakt-Y-Übergang-Fasenmodulator 92 mit richtig orientierten polarisationserhaltenden Anschlussfasern 113 und 117 und Reflektoren 114 und 116 versehen das Interferometer 90 mit einer Sicht von 100%. Innerhalb von sämtlichen Teilen des Interferometers 90 gibt es nur einen linearen Polarisationszustand für das Licht. Kein Polarisationsschwund kann an dem Ausgang des Interferometers 90 auftreten, so wie dies der Fall für die Interferometer 51 und 60 sein kann, die in den 1 und 2A gezeigt sind.
Die Polarisationszustände, die von den zwei getrennten Zweigen des Interferometers 90 stammen, halten den Zustand einer 100% Sicht aufrecht, wenn sie auf einer einzelnen Faser an den Fotodioden-Empfänger gehen. Eine Polarisations-Diversityerfassung wird nicht mehr benötigt, weil ein Polarisationsschwund von dem Interferometer zu dem Empfänger beseitigt worden ist. Eine einzelne Fotodiode mit keiner Polarisationsmaske ist das einzige, was für eine Signaldetektion benötigt wird. Das polarisations-induzierte Phasenrauschen, welches sich von den Polarisations-Diversitydetektoren ergibt, wird ebenfalls beseitigt.
2C zeigt ein anderes Michelson-Interferometer 90, bei dem der optische Wellenleiter 100 an einem Reflektor 124 endet. Die optischen Wellenleiter 100 und 102 sind auf einem Substrat 126 gebildet, dass eine angewinkelte Kante 127 an dem Ende 128 des optischen Wellenleiters 102 aufweist. Die optische Faser 117 ist mit dem Ende des optischen Wellenleiters 102 in der gleichen Weise wie in 2B gekoppelt.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den 1 und 2A–2C sämtliche Faser/Wellenleiter-Schnittstellen angewinkelt sind, um unerwünschte Rückreflektionen zu beseitigen. Sämtliche Spiegel-Schnittstellen sind für einen normalen Einfall angeordnet, um eine Rückreflektion zu maximieren.
Vibrationssensor-Aufbauten, wie in den 1 und 2A–2C gezeigt, können in Feld-Architekturen angeordnet werden, wie in den 3 bzw. 4 gezeigt.
3 zeigt eine FDM Architektur 130, die ein Paar von Lasern 132 und 134 und drei Polarisations-Diversitydetektoren 136–138 einschließt. Die Laser 132 und 134 weisen entsprechende Phasenmodulatoren 140 und 142 auf. Die Phasenmodulatoren 140 und 142 weisen phasen-erzeugte Trägerfrequenzen f₁ und f₂ auf.
Die Mach-Zender-Interferometer-Konfiguration 51 der 1 eignet sich zum Bilden des Feld-Aufbaus 130. Das Feld 130 umfasst eine Vielzahl von Mach-Zender-Interferometern 145–150. Eine Vielzahl von Feldern 152–157 sind elektrisch mit den Mach-Zender-Interferometern 145–150 verbunden, jeweils in der Vorgehensweise, die in 1 gezeigt ist. Die Mach-Zender-Interferometer 152–157 empfangen optische Signale von dem Laser 134 über eine optische Faser 160. Optische Koppler 162 und 164 koppeln die optischen Signale von der optischen Faser 160 an die Mach-Zender-Interferometer 145 und 146. Die Mach-Zender-Interferometer 148–150 empfangen optische Signale von dem Laser 132 über eine optische Faser 166. Optische Koppler 168 und 170 koppeln die optischen Signale von der optischen Faser 166 in die Mach-Zender-Interferometer 148 und 149.
Die Mach-Zender-Interferometer 148–150 stellen bzw. Ausgangssignale an den optischen Fasern 180–182 bereit. Die optischen Fasern 180–182 sind wiederum angeordnet, um jeweils optische Signale an den Detektoren 136–138 bereitzustellen. Die Detektoren 136–138 sind mit einem Demodulator 186 verbunden. Die Mach-Zender-Interferometer 145–147 stellen jeweils Ausgangssignale an den optischen Fasern 188–190 bereit. Optische Koppler 192–194 koppeln jeweils die optischen Fasern 188–190 jeweils mit der optischen Faser 180–182.
Jedes der sechs Mach-Zender-Interferometern 145–150 umfasst vorzugsweise einen Einzelphasen-Modulator des in 1 gezeigten Typs. Jeder der sechs Phasenmodulatoren wird durch das lokalisierte lineare Feld 152–157 jeweils angesteuert. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der jedes Feld 152–157 sieben elektromechanische Sensoren einschließt. Die elektromechanischen Sensoren sind insgesamt 42 in einem 6 × 7 Feld. Dieser Typ von Feld-Architektur kann in der Größe auf mehr als einhundert optische Interferometer-Stellen jeweils mit einem Phasenmodulator angesteuert von bis zu einem Dutzend oder mehr elektromechanischen Sensoren, wie dem Geophon 50 der 1, erhöht werden.
4 zeigt eine TDM Feld-Architektur 200 mit einer gepulsten Laserquelle 202 und einem Detektor 204. Eine einzelne Faser 206 dient sowohl als Zuführungsleitung als auch Rückführungsleitung. Ein lineares Feld von acht Michelson-Interferometern 210–217 des Typs, der in entweder der 2A oder 2B gezeigt ist, ist mit der optischen Faser 206 gekoppelt. Optische Koppler 220–226 koppeln optisch die optische Faser 206 mit dem Michelson-Interferometern 210–216. Der Laser 202 sendet einen optischen Impuls herunter an die Interferometer 210–216 und acht Impulse kehren an den Detektor 204 zurück, der dann elektrische Signale an einem Demodulator 228 bereitstellt. Jedes der Interferometer 210–217 schließt einen Phasenmodulator des Typs ein, der in entweder der 2A oder 2B gezeigt ist, angesteuert durch entsprechende lokalisierte lineare Felder 230–237 mit sieben Sensoren. Die Sensoren können elektromechanische Geophon-Sensoren sein, wie in 1 gezeigt.
Die Architektur 200 kann durch Verwenden einer Lichtquelle erweitert werden, die erbiumdotierte Faserverstärker (nicht gezeigt) und einen Pumplaser (nicht gezeigt) zusätzlich zu dem Signallaser 202 einschließt. Eine derartige Feld-Architektur kann auf fünfzig oder mehr optische Interferometer-Stellen für einen einzelnen Signallaser 202 erhöht werden.
Für geophysische Anwendungen kann ein FDM oder TDM System ein einzelnes faseroptisches Landkabel mit einer Länge von einem bis zehn Kilometern oder mehr verwendet, das Daten von mehreren Hunderten von entfernten Geophonen mit keinen aktiven elektronischen Komponenten, mit Ausnahme an dem einen Ort für den Lasersender und dem optischen Empfänger mit den geeigneten Signalverarbeitungs- und Demodulationsfunktionen, ermitteln kann.
In einer TDM Ausführungsform der Erfindung sollte die optische Signalquelle 12, wie in 1 gezeigt, orthogonale Polarisationszustände sequentiell in die optische Faser 14 einkoppeln. In einer FDM Ausführungsform koppelt die optische Signalquelle orthogonale Polarisationszustände bei unterschiedlichen Frequenzen (FDM) ein, um zu jeder Zeit keinen übermäßigen Polarisationsschwund zu garantieren.

Claims

Vibrationssensor-Aufbau, einschließend: ein Substrat (30) in integrierter Optik mit einem optischen Wellenleiter (28), der darin gebildet ist; ein optisches Interferometer (51), welches gebildet ist, um erste und zweite optische Pfade aufzuweisen, mit dem optischen Wellenleiter (28) in dem ersten optischen Pfad eingeschlossen und mit einer Pfadlängen-Fehlübereinstimmung zwischen den ersten und zweiten optischen Pfaden; eine optische Lichtquelle (12), die angeordnet ist, um ein optisches Signal an dem optischen Interferometer (51) derart bereitzustellen, dass das optische Interferometer (51) ein Interferenzmuster erzeugt, das die Phasendifferenz zwischen optischen Signalen anzeigt, die sich in den ersten und zweiten optischen Pfaden ausbreiten; einen Kanalwellenleiter-Phasenmodulator (38), der angeordnet ist, um optische Signale in dem ersten optischen Pfad des optischen Interferometers (51), die in dem optischen Wellenleiter (28) geführt werden, in der Phase zu modulieren; einen elektromechanischen Sensor (50), der angeordnet ist, um ein elektrisches Signal im Ansprechen auf mechanische Vibrationen zu erzeugen, wobei der elektromechanische Sensor (50) mit dem Kanalwellenleiter-Phasenmodulator (38) derart verbunden ist, dass das elektrische Signal die Phase des optischen Signals, das in dem optischen Wellenleiter (28) geführt wird, so moduliert, dass das Interferenzmuster die Amplitude der mechanischen Vibrationen anzeigt; dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenmodulator (16) zwischen der Lichtquelle (12) und dem optischen Interferometer (51) angeordnet ist, um die Phase des optischen Signals zu modulieren, bevor das optische Signal dem optischen Interferometer (51) eingegeben wird, und dass der zweite optische Pfad wenigstens teilweise durch eine optische Faser (24) gebildet wird.
Vibrationssensor-Aufbau nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Photodetektor (46), der angeordnet ist, um die Kombination der optischen Signale zu empfangen, und durch einen Frequenzteilungs-Modulator (48) der angeordnet ist, um elektrische Signale zu empfangen, die von dem Photodetektor (46) ausgegeben werden.
Vibrationssensor-Aufbau nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Sensor (50) ein Geophon ist.
Bewegungssensor-System, umfassend: ein Feld von Bewegungssensor-Aufbauten in Übereinstimmung mit irgendwelchen der Ansprüche 1 bis 3; eine optische Signalquelle (132, 134, 202), die angeordnet ist, um optische Signale an dem Feld (130, 230) von Interferometern (145 bis 150, 210 bis 217) bereitzustellen, um optische Signaleingänge daran bereitzustellen; und ein Feld von elektromechanischen Sensoren (152 bis 157, 230 bis 237), die mit dem Feld (130, 230) von Interferometern (145 bis 150, 210 bis 217) derart verbunden sind, dass jedes Interferometer (145 bis 150, 210 bis 217) ein entsprechendes Element des Felds von elektromechanischen Sensoren (152 bis 157, 230 bis 237), die damit verbunden sind, aufweist.
Bewegungssensor-System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Signalquelle umfasst: eine Vielzahl von Lasern (132, 134); eine Vielzahl von Phasenmodulatoren (140, 142), die angeordnet sind, um das Licht, das von einem entsprechenden der Vielzahl von Lasern (132, 134) ausgegeben wird, bei einer entsprechenden Modulationsfrequenz zu modulieren, bevor das optische Signal den optischen Interferometer (145 bis 150) eingegeben wird; und eine Vielzahl von faseroptischen Signaleingabekabeln (160, 166), die mit der Vielzahl von Phasenmodulatoren (140, 142) verbunden und angeordnet sind, um von jedem Phasenmodulator (140, 142) zu einer entsprechenden Gruppe von Interferometern (145 bis 147, 148 bis 150) in dem Feld von Interferometern zu führen.