NO317569B1 - Sensorgrupper med forsterkning - Google Patents

Description

Oppfin nelsesfeltet.

Foreliggende oppfinnelse angår grupper av fiberoptiske interferometriske sensorer og mekanismer for å bedre signal/støyforholdet i uforsterkede sensorgrupper som er tidsdomene multiplekset.

Bakgrunn for oppfinnelsen.

Grupper med fiberoptiske interferometriske sensorer viser seg å være lovende på anvendelsesområder der størrelse, elektrisk interferens, og elektromagnetisk påvisning gjør elektroniske sensorer upraktiske. Slike interferometriske sensorer er i stand til å måle en parameter (dvs. en målestørrelse) med et meget høyt dynamisk område (f.eks. 120 dB). Optiske sensorgrupper blir dannet ved å koble sammen en rekke sensorer ved bruk av fiberoptiske linjer. Hvis hver sensor i en gruppe krever en tildelt fiber for å føre påvisningssignalet vil antallet av fibere som er nødvendig hurtig bli uhåndterlig når antall sensorer øker. Når antall sensorer i en optisk gruppe øker blir således tidsdomenemultipleksing (TDM) nødvendig for å holde fiberantallet lavt. Elektrisk og optisk frekvensdomenemultipleksing er blitt forsøkt, men de kan ikke anvendes for grupper som omfatter hundreder av sensorer. Som et resultat er store sensorgrupper organisert i lange strenger med sensorer som utfører TDM ved tilbakeføring av informasjon fra sensorer som står ved små mellomrom. En typisk passiv sensorgruppe som benytter TDM er bygget med en stigelignende oppstilling. Denne utførelse har bare noen få fiberlinjer og muliggjør en liten bruksstørrelse. Det er ønskelig å komme fram til et multipleksopplegg som omfatter et stort antall interferometriske sensorer i en gruppe samtidig med opprettholdelse av det høye dynamiske området for sensorene og opprettholde et høyt signal/støyforhold (SNR).

Som vist på Fig. 1 er en passiv optisk gruppe 10 som benytter TDM dannet ved bruk av en splittekobler 140 for å koble en fordelingsbuss 100 til den første ende av en optisk sensor 110. En andre splittekobler 142 kobler en returbuss 120 til en andre av den optiske sensor 110. Et påvisningssignal blir sendt fra en kilde (ikke vist) som dermed er delvis koblet inn i den første sensor 110 i en gruppe på n sensorer. Resten av påvisningssignalet fortsetter langs fordelingsbussen til påfølgende koblere der hver kobler en brøkdel av påvisningssignalet inn til påhverandre følgende sensorer.

Hver sensor modifiserer det optiske signal som er koblet inn i denne fra fordelingsbussen 100 basert på eksterne (f.eks. akustiske) variasjoner som skal påvises. Det endrede signal blir så koblet inn i returbussen 120 med en kobler 140. Returbussen overfører de endrede signaler ut av gruppen for behandling.

Grunnprinsippet for TDM er som følger. Den banelengde som det optiske signal følger fra kilden langs fordelingsbussen 100 gjennom kobleren 140, sensoren 110, kobleren 142 og tilbake langs returbussen 120 er forskjellig for hver sensor. Av den grunn vil retursignalene ankomme ved detektoren med forskjellige tidsintervaller avhengig av banelengden. De sensorer som står nærmere signalkilden har en kortere bane enn sensorer som står nær gruppens ende. Av den grunn vil sensorer nær kilden sende retursignaler på returbussen noe tidligere enn sensorer som befinner seg lenger ned i gruppen. Dette forutsetter at tidsforsinkelsen ved hver av sensorene er forholdsvis lik. Signalene blir så overført ut av gruppen for å bli sekvensielt behandlet med annen maskinvare for å trekke ut den målte informasjon. Fordi hvert av retursignalene har forskjellig tidsforsinkelse basert på de forskjellige avstander mellom sensoren og kilden er det mulig å bruke optiske signaler i en pulset form. Basert på det foregående returnerer hver sensor 110 en signalpuls som er noe forsinket i forhold til den signalpuls som ble returnert av den foregående sensor og dermed blir det mulig for de forskjellige signalpulser å bli tidsmessig atskilt ved detektoren. For å unngå overlapning av de returnerte signaler på returbussen 120 og ved detektoren blir pulslengden og frekvensen for de optiske signaler valgt slik at retursignalene ikke overlapper på returbussen.

Fig. 8 viser et tidsdiagram for en sensorgruppe som benytter TDM for å multiplekse retursignalene på returbussen for påvisning og behandling. I tidsperiode 1 gir signalkilden som utgang en påvisningspuls med lengden t. Signalkilden venter så en periode på Tsystcm før den tilbakestiller seg selv og gjentar påvisningspulsen (vist ved tidsperioden 1'). Straks påvisningspulsen er utsendt fra signalkilden blir den splittet inn i hver sensor. Signalet fra hver sensor returneres på et eget tidspunkt avhengig av hver sensors respektive avstand fra signalkilden. Banelengdene er valgt nøyaktig slik at retursignalene påtrykkes returbussen med på hverandre følgende intervaller med meget kort mellomliggende sperrebånd (TspeiTebai,d) mellom retursignalene for å hindre signaloverlapping. Straks den siste sensor har returnert et signal N til detektoren venter systemet en tilbakestillingsperiode (Ttubakesiiiiing) og starter så prosessen på nytt. Perioden Ttiibakestiiiing er valgt for å sikre at returpulsen N fra den siste sensor kommer frem til detektoren før returpulsen 1' fra den første sensor ankommer som et svar på den andre påvisningspuls. Et eksempel på en periode for T,jibakestiiimg er tilnærmet lik Tspmeband- På denne måte vil repetisjonsperioden for Tsyslem være tilnærmet Nx(x + Tsperrebånd)- F.eks. for et system med en baneforskjell på omtrent 8.2 meter mellom nabosensorer blir t valgt å være tilnærmet 40 nanosekunder og Tspcncbind er valgt tilnærmet 1 nanosekund. Når gruppen er oppstilt med 300 sensorer (dvs. N = 300) blir Tsysten, tilnærmet 12.3 mikrosekunder. For dette eksempel på oppstilling vil en repetisjonshastighet på omtrent 8 kHz sikre at det siste retursignal som svar på en påvisningspuls ikke overlapper med det første retursignal som svar på den neste påvisningspuls. Det skal påpekes at på Fig. 8 er tidsforskyvningen mellom påvisningspulsen og den første returpuls ikke vist fordi forskyvningen varierer med den optiske banelengde fra kilden til den første sensor, gjennom den første sensor og tilbake til detektoren.

Fordelen med TDM er at den muliggjør enkle spørreteknikker. Vekslende maskinvare er ikke nødvendig, noe som fører til en reduksjon i omkostningene og størrelsen på gruppen. Imidlertid er ett av problemene med TDM at den reduserer den tid hver sensor har tilgjengelig for påvisning. Hvis hver sensor hadde fått et tildelt fiber for å rapportere resultatet av sine påvisninger kunne dette føre til en kontinuerlig strøm av informasjon. Når TDM blir implementert for å redusere antall fibere blir imidlertid slik kontinuerlig rapportering ikke mulig. Den tid enhver sensor bruker på sine utvalg blir redusert til l/N for en kontinuerlig utvelgende sensor. Når antallet av sensorer øker blir den tid og den frekvens hvormed en sensor gjør sine utvalg redusert ytterligere.

Den begrensede utvalgstid øker betydningen av signal/støyforholdet (SNR). Siden et kort utvalg under TDM blir ekstrapolert for å representere en meget lenger tidsperiode (N ganger lenger enn den virkelige utvalgstid) er det av meget større betydning at hvert utvalg tolkes riktig av detektoren. Støy er en vesentlig kilde til tolkningsfeil og derfor må SNR holdes så høy som mulig med så liten forringelse av SNR langs sensorgruppen som mulig. Et høyt signal/støyforhold (SNR) reduserer antallet av tolkningsfeil i påvisningssystemet.

Påvisningssignalet blir utsatt for en betydelig dempning idet det forplanter seg gjennom den passive gruppe. Kildene til dempningen innbefatter f.eks. (1) fibertap, skjøtetap, koblerinnøfringstap, (2) sensortap og (3) effektsplitting ved hver kobler til fordelings-og returbussene.

Enkelt splitting (tap (3)) som er den fremgangsmåte som benyttes til å koble den optiske sensor til fordelings- og returbussene fører til store tap og en betydelig degradering av signal/støyforholdet (SNR). Lysmengden i det påvisningssignal som blir koblet fra fordelingsbussen inn i sensorer avhenger av koplingsforholdet for kobleren. Koplingsforholdet representerer tilnærmet den brøkdel av lys som blir delt inn til sensorene og tilnærmet en minus koplingsforholdet er den brøkdel av lys som føres ned langs fordelingsbussen til den neste kobler. Et høyt koplingsforhold resulterer i at mer effekt blir levert hver sensor fra fordelingsbussen, men resulterer også i at en mindre effektmengde blir tilgjengelig for sensorer på nedstrømsiden. Et lavt koplingsforhold øker den effekt som blir levert på nedstrømsiden, men begrenser den effekten som er tilgjengelig for hver sensor. Som følge av dette finnes det en verdi for koplingsforhold som maksimerer retureffekten fra de fjerneste sensorer som omhandlet nedenfor.

I en gruppe som inneholder N sensorer vil den effekt som returneres fra den mte sensor avta når m øker (der sensor m = 1 er den som ligger nærmest kilden). Unntaket er signalet fra det siste sensornummer N som ikke opplever noe splittetap siden det ikke foregår noen kopling og hele resten av signalet blir ført gjennom denne. I den passive gruppe som er vist på Fig.l er retursignalet derfor svakest for sensor nr. N-l. For å få til det beste utgangssignal/støyforhold i en passiv optisk gruppe bør signalet ved detektoren (1) føre så meget effekt som det tillates med ulineære virkninger i fiberbussen og (2) bør være haglstøydempet (en tilstand der kvantestøy som oppstår ved kilden til signalet dominerer støykarakteristikkene for signalet).

Uten å spesifisere særlige optiske effekter, integrasjonstider, pulsbredder, repetisjonstakter og den optiske filtrering som er nødvendig for å bestemme et absolutt utgangssignal/støyforhold definerer de følgende likninger en komponent for systemets støyverdi som kan benyttes for å beregne forskjellige gruppe oppstillinger. Støyverdien som er av interesse er inngangskilde-SNR dividert med utgangs-SNR for den verste sensorgruppen (den N-l sensor). Systemets støyverdi (NF) blir definert som:

Denne definisjon faller sammen med den klassiske definisjon av forsterkerstøy, men er her benyttet for å beskrive hele systemet som en forsterknings-tapstransformasjon. For å bestemme støyverdien for systemet må de tap som er knyttet til de forskjellige elementer i systemet (f.eks. skjøtetap, splittetap, koblertap etc.) beregnes. Disse tap (L) blir betraktet i dB (særlig negativ dB). Tapene kan også betraktes uttrykt som transmisjoner. F.eks. er et -3 dB tap en 50% transmisjon og en -10 dB tap er en 10% transmisjon. Det antas at hver sensor innfører samme tap Ls i signalet og det øvrige tap skyldes skjøter og koblerinnføringer i signalet for alle koblersegmenter og er lik/,*. Når alle koblere oppviser samme koplingsforhold C kan det vises at den effekt som returnerer til detektoren fra sensor nummer m er:

For den utførelse som er vist på Fig.l mottar sensoren N mer optiske effekt enn sensoren N-l fordi sensor N er forbundet direkte med fordelingsfibere i stedet for med kobler. Effekten for sensor N er:

Dermed blir den returnerende effekt lavest for sensor nr. N-l. Fra likning 2 er denne effekt avhengig av koplingsforholdet C og har et maksimum når:

Bruk av likningene 1 og 2 og et antatt optimert koplingsforhold (likning 4) gir støyverdien for den verste sensor slik:

Fig. 4b viser støyverdien for den optimerte passive gruppe (heltrukket kurve) når antallet av sensorer øker. Sensortapet er antatt å være Ls = 6 dB og faller sammen med aktuell sensorteknologi. Det overskytende tap antas å være Lx = 0,2 dB pr. Koblersegment. Fig. 4b viser at støyverdinivået øker hurtig når antall sensorer øker, noe som viser begrensningene for den passive gruppeoppstilling.

For å frembringe lengre sensorgrupper må en passiv optisk gruppe godta en reduksjon i den effekt som er tilgjengelig for hver enkelt sensor og derfor en forringelse i SNR-resultatene. Med disse begrensninger som bakgrunn har maksimering av SNR i TDM sensorgrupper vært vanskelig. En løsning er å øke effekten i den optiske kilde, noe som under forhold med haglstøybegrensning øker SNR for alle retursignaler. Den største effekt som fordelingsbussen kan overføre er imidlertid begrenset av ulineære effekter i det optiske fiber. En passiv gruppeoppstilling er derfor begrenset til den evne til å kompensere for lav effekt koblet inn i hver sensor ved å heve den opprinnelige effekt fra den optiske kilde.

I en publikasjon fra J. Sæther m.fl., med tittelen "Noise performance of multiplexed fibre-optic sensor systems with optical amplifiers" for den 11. internasjonale konferansen på optiske fibersensorer i Sapporo, Japan, 21. til og med 24. mai 1996 i vol. 4, nr. IA, på sidene 138-144 (se XP002152406 Optical Review, Jan.-Feb. 1997, Opt. Soc. Japan, Japan ISSN: 1340-6000) beskrives en metode for å forbedre signal-støy-forholdet (NR) til et multiplekset fiberoptisk sensomettverk ved å koble til fiberoptiske forsterkere. Systemet består av et flertall sensorer som mottar et optisk inngangssignal og gir som utgang forandrede optiske signaler, en fordelingsbuss koblet til hver sensor for å motta det forandrede optiske signalet fra hver sensor som skal tas med som en del av et retursignal, et flertall første optiske forsterkere fordelt på valgte punkter langs lengden av fordelingsbussen for å holde effekten i det optiske inngangssignalet på et valgt nivå, og et flertall andre optiske forsterkere som er fordelt i valgte punkter langs lengden av returbussen for å opprettholde effekten i de forandrede optiske inngangssignalene er i retursignalet. Alle de optiske koblerne mellom fordelingsbussene og sensorene kan ha samme koblingskoeffisient som har en fornuftig verdi, som f.eks. 0,1.

I publikasjonen fra P. Nash m.fl. med tittelen "Review of interferometric optical fibre hydrophone technology" (se IEE Proceeding-Radar, Sonar and Navigation, juni 1996,

volum 143, sidene 204-209) beskrives et optisk hydrofonsystem som består av et flertall sensorer som mottar et optisk inngangssignal og som gir som utgang forandrede optiske signaler, en fordelingsbuss koblet til hver sensor som mottar et optisk inngangssignal og som gir som utgang forandrede optiske signaler, en fordelingsbuss koblet til hver sensor som mottar et optisk inngangssignal og som gir som utgang forandrede optiske signaler, og en fordelingsbuss koblet til hver sensor for å motta det forandrede optiske signalet fra hver sensor.

Oppsummering av oppfinnelsen.

Siden signal/støyforholdet (SNR) er en stor faktor når det gjelder ytelsene fra en TDM optisk sensorgruppe vil, hvis nivåene for støy i det resulterende påvisningssignal er høye, grensene for nåværende sensorteknologi ikke kunne tilnærmes og fordelene ved høyfølsomme sensorer kan aldri bli utnyttet. Av denne grunn må arkitektur- og utformningsparametere for sensorgrupper velges for å minimere SNR-forringelsen på grunn av splitting, andre fibertap og tilstedeværelse av støy. Den foreliggende oppfinnelse gir en betydelig forbedring i signal/støyforholdet i en passiv optisk gruppe ved å tilføye optiske forsterkere mellom koblere for å utligne kobleres splittetap.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en optisk sensorarkitektur kjennetegnet ved de trekk som fremgår av det vedfølgende selvstendige patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsens optiske sensorarkitektur fremgår av de vedfølgende uselvstendige patentkravene 2 til og med 30.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for optimering av en gruppe optiske sensorer, kjennetegnet ved de trekk som fremgår av det vedfølgende selvstendige patentkrav 31.

Ytterligere fordelaktige trekk ved foreliggende oppfinnelses fremgangsmåte for optimering av en gruppe optiske sensorer fremgår av de vedfølgende uselvstendige patentkravene 32 til og med 48.

I en fordelaktig utførelse av foreliggende oppfinnelse er optiske forsterkere innskutt mellom koblerne langs signalbanen. Forsterkningsgraden i forsterkerne er innrettet til å utligne de tap som skyldes forangående koblere og andre fibertap. På denne måte kan det samlede signal/støyforhold (SNR) opprettholdes uten særlig forringelse når antallet av sensorer i gruppen øker. I et første trekk ved foreliggende oppfinnelse er forsterkerne anbrakt langs fordelings- og returbussene direkte etter koblerne (med unntak for den siste sensor). I et annet trekk ved foreliggende oppfinnelse er forsterkerne anbrakt direkte foran koblerne.

I en utførelse omfatter de optiske forsterkere korte lengder av erbium-dopet fiber som er spleiset inn i fordelings- og returbussene. Billige pumpekilder kan benyttes til å pumpe forsterkerne fra den ene eller begge ender av gruppen ved 1480 nm eller 980 nm for Er-dopet fiber og ved 1060 nm for Er/Yb-dopet fiber.

Forbedringer kan gjøres ved signal/støyforholdet (SNR) når fordelingsbussens koplingsforhold blir stilt på optimale verdier. Verdien på det optimale koplingsforhold avhenger av forsterkeroppstillingen, de overskytende tap og andre oppstillings-parametere.

Ytterligere fordeler kan oppnås ved å gruppere sensorene i parallelle grupper langs fordelings- og returbussene. På denne måte kan antallet av sensorer økes betydelig uten en tilsvarende økning i det antall forsterkere som er nødvendig. Den parallelle gruppering av et flertall sensorer kan øke sensortettheten uten tilsvarende økning i antallet av forsterkere eller koblere. Denne utformning kan forbedre signal/støyforholdet (SNR) ved å redusere det samlede antall forsterkere og koblere og dermed redusere en forsterkers spontane emisjonsstøy og koplingstap. Dessuten blir behovet for pumpeeffekt redusert. Dette trekk ved foreliggende oppfinnelse muliggjør også grupper av mindre størrelse for et tilsvarende antall sensorer.

Fortrinnsvis innbefatter en optisk sensorarkitektur i henhold til oppfinnelsen et mangfold av sensorer som mottar et optisk signal og som utgir forandrede optiske signaler. En fordelingsbuss er koblet til hver sensor for å fordele det optiske signal til hver sensor. En returbuss er koblet til hver sensor for å motta det endrede optiske signal fra hver sensor som skal tas inn som en del av retursignalet. Et flertall av første optiske forsterkere er fordelt på valgte punkter langs lengden av fordelingsbussen for å holde effekten på det fordelte optiske signal på et valgt nivå. Et flertall av andre optiske forsterkere er fordelt på valgte punkter langs lengden av returbussen for å opprettholde effekten i de forandrede optiske signaler i retursignalet.

Alternativt innbefatter en optisk sensorarkitektur i samsvar med oppfinnelsen et flertall av sensorgrupper. Hver sensorgruppe har minst en sensor som mottar et optisk signal og som utgang gir et endret optisk signal. En fordelingsbuss er koblet til hver sensorgruppe for å fordele det optiske signal til hver sensorgruppe. En returbuss er koblet til hver sensorgruppe for å motta det forandrede optiske signal fra hver sensorgruppe. Et flertall av første optiske forsterkere er fordelt på utvalgte punkter langs lengden av fordelingsbussen for å holde effekten i det optiske signal på et tilstrekkelig nivå for hver sensorgruppe. Et antall andre optiske forsterkere er fordelt på valgte punkter langs lengden av returbussen for å opprettholde effekten i de endrede optiske signaler på returbuss.

En typisk optisk sensorarkitektur i henhold til oppfinnelsen innbefatter et flertall anordninger til måling av en parameter, anordninger for fordeling av et første optisk signal til hver av anordningene for måling; anordning for retur av et andre optisk signal fra hver av anordningene for måling; et flertall anordninger for forsterkning av det første optiske signal, anbrakt langs anordningen for fordeling; og et flertall anordninger for forsterkning av det andre optiske signal, anbrakt langs anordningen for retur.

Fortrinnsvis gjør en fremgangsmåte i henhold til foreliggende oppfinnelse for reduksjon av et støytallnivå i et signal som returnerer fra en sensorarkitektur for å frembringe en optisk utgang bruk av et flertall sensorer til å frembringe utgangssignaler. Et optisk signal blir overført gjennom en fordelingsbuss som er koblet til hver sensor. Utgangssignalet fra hver sensor blir koblet inn i et retursignal som føres via en returbuss som er koblet til hver sensor. De optiske og retursignaler blir forsterket i et flertall forsterkere langs fordelingsbussen og returbussen for å øke et signal/støyforhold i sensorarkitekturen.

Alternativt tilveiebringer en fremgangsmåte i henhold til foreliggende oppfinnelse for å optimere en gruppe optiske sensorer en gruppe optiske sensorer som er plassert mellom et fordelingsfiber som fremfører et optisk inngangssignal fra en kilde og et returfiber som returnerer forandrede optiske signaler til en detektor. Hver optisk sensor er koblet til fordelingsfibere med en tilhørende inngangskobler og koblet til returfibere med en tilhørende utgangskobler. Et flertall forsterkere er innskutt ved utvalgte punkter på inngangsfordelingsfiberet og utgangsfiberet. Forsterkerne utligner tap i gruppen. Koplingsforholdene er valgt for koblerne og forsterkningsgrader er valgt for forsterkerne for å optimere en støyverdi for systemet. Systemets støyverdi er forholdet mellom signal/støyforholdet for det optiske inngangssignal og et signal/støyforhold for et optisk signal i en sensor som har et lavest signal/støyforhold.

En fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen for å optimere en gruppe optiske sensorer tilveiebringer typisk en gruppe optiske sensorer koblet til et optisk fiber med et flertall koblere. Et optisk signal som forplanter seg i det optiske fiber blir forsterket med et flertall forsterkere for å utligne tap i gruppen. Koplingsforholdene er valgt for koblerne og forsterkningsgrad er valgt for forsterkerne for å optimere systemets støyverdi. Systemets støyverdi er forholdet mellom et signal/støyforhold for det optiske inngangssignal og et signal/støyforhold for et optisk signal i en sensor som har lavest signal/støyforhold.

En optisk sensorarkitektur i henhold til foreliggende oppfinnelse innbefatter fortrinnsvis et flertall sensorer som mottar et optisk inngangssignal og som gir som utgang forandrede optiske signaler som svar på en avsøkt parameter. Minst ett optisk fiber fordeler et optisk signal til hver sensor og returnerer et forandret optisk signal fra hver sensor. Et flertall optiske forsterkere er fordelt på valgte punkter langs lengden av det minst ene optiske fiber for å opprettholde effekten i det fordelte optiske signal og i de returnerte forandrede optiske signaler på valgte nivåer.

Alternativt innbefatter en optisk sensorgruppearkitektur i henhold til foreliggende oppfinnelse en fordelingsbuss som mottar og fordeler et optisk inngangssignal. Fordelingsbussen fører frem et pumpesignal for fordelingsbussen. En returbuss mottar et flertall optiske retursignaler og danner de optiske retursignalet som utgangssignaler. Returbussen overfører et returbusspumpesignal. Et flertall trinn er koblet mellom fordelingsbussen og returbussen. Hvert trinn omfatter minst en sensor som mottar sin tilhørende del av det optiske inngangssignal og frembringer ett av de optiske retursignaler. Et flertall optiske inngangsforsterkere i fordelingsbussen reagerer på fordelingsbussens pumpesignal. De optiske inngangsforsterkere forsterker det optiske inngangssignal og har forsterkningsgrader som opprettholder det optiske inngangssignal på et valgt signalnivå for hvert av trinnene. Et flertall optiske utgangsforsterkere i returbussen reagerer på returbussens pumpesignal. De optiske utgangsforsterkere forsterker retursignalene som er frembrakt av sensorene i trinnene og har forsterkningsgrader som i det vesentlige utligner verdiene av de optiske retursignaler. Forsterkningsgradene for forsterkerne er som regel større når de pumpes med større pumpeenergi. Fordelingsbussens pumpesignal og returbussens pumpesignal kommer fortrinnsvis inn ved respektive ender av fordelingsbussen og returbussen. Fordelings-pumpesignalet kan føre til ujevn pumping av de optiske inngangsforsterkere og til forskjeller i de forskjellige forsterkningsgrader for de optiske inngangsforsterkere. Returbussens pumpesignal kan føre til ulik pumping av optiske inngangsforsterkere og forskjeller i de respektive forsterkningsgrader for de optiske utgangsforsterkere. De optiske inngangsforsterkere, de optiske utgangsforsterkere og trinnene er plassert slik at arkitekturen danner et flertall optiske baner som innbefatter forskjellige kombinasjoner av optiske inngangsforsterkere og optiske utgangsforsterkere som har respektive kumulative forsterkningsgrader. De optiske inngangsforsterkere og de optiske utgangsforsterkere har forsterkningsgrader som er valgt slik at forskjellene i de kumulative forsterkningsgrader mellom de optiske baner blir redusert og derved reduserer støyverdien for arkitekturen. Forsterkerne er fortrinnsvis plassert langs bussene slik at de optiske baner innbefatter et likt antall forsterkere. De respektive forsterkningsgrader for forsterkerne blir fortrinnsvis justert for å utligne tap i den optiske sensorarkitektur for å opprettholde så nær som mulig enhetlig overføring langs bussene.

Typisk innbefatter en fremgangsmåte for redusering av støytallet til en optisk sensorarkitektur å tilveiebringe fordelings- og returbusser som pumpeenergien forplanter seg gjennom. Pumpeenergien sørger for forsterkning i optiske forsterkere som er plassert langs fordelings- og returbussene. Fremgangsmåten går videre ut på å tilveiebringe et flertall av tverrtrinn og et flertall koblere. Koblerne forbinder hvert trinn til fordelings- og returbussene. Hvert av trinnene omfatter minst en sensor som mottar en tilhørende del av et optisk inngangssignal som sendes inn i fordelingsbussen. Sensorene frembringer respektive optiske retursignaler som ledes til returbussen. Videre går fremgangsmåten ut på valg av antallet av trinn for å gi et samlet antall sensorer tilnærmet lik det ønskede antall sensorer. Antallet av trinn og antallet av sensorer i trinnene er valgt for å redusere støyverdien for den optiske sensorarkitektur. I noen utførelser i henhold til fremgangsmåten blir antallet av trinn og antallet av sensorer i trinnene valgt for å redusere, men ikke minimere støyverdien slik at behovene for pumpeeffekt for fordeling og retur også blir redusert. Dessuten, i visse utførelser blir brøkdelen av det optiske inngangssignal som kobles inn i trinnene av koblere i fordelingsbussen valgt for å redusere støyverdien for den optiske sensorarkitektur for visse nivåer av optisk inngangssignal og pumpesignaler for fordeling og retur.

Fortrinnsvis innbefatter en fremgangsmåte i henhold til foreliggende oppfinnelse for å redusere støytallet til en optisk sensorarkitektur og tilveiebringe fordelings- og returbusser som pumpeenergien forplanter seg gjennom. Pumpeenergien bestemmer forsterkningen for optiske forsterkere som er anbrakt langs fordelings- og returbussene. Videre går fremgangsmåten ut på å tilveiebringe et flertall tverrtrinn og et flertall koblere. Koblerne kobler hvert av trinnene til fordelings- og returbussene. Hvert av trinnene omfatter minst en sensor som mottar en tilhørende del av et optisk inngangssignal som tilføres fordelingsbussen. Sensorene frembringer respektive optiske retursignaler som tilføres returbussen. Videre angår fremgangsmåten valg av tilhørende brøkdeler av det optiske inngangssignal som er koblet til trinnene med koblerne i fordelingsbussen og respektive brøkdeler av de optiske retursignaler som er koblet til returbussen med koblerne i returbussen for å redusere støyverdien for den optiske sensorarkitektur for et samlet antall av sensorene tilnærmet likt et ønsket antall sensorer.

En optisk sensorarkitektur i henhold til foreliggende oppfinnelse innbefatter alternativt en fordelingsbuss og en returbuss som begge fører pumpeenergi. Pumpeenergien sørger for forsterkning til optiske forsterkere som er plassert langs fordelings- og returbussene. Arkitekturen innbefatter et flertall tverrtrinn og et flertall koblere. Koblerne forbinder hvert av trinnene med fordelings- og returbussene. Hvert av trinnene omfatter minst en sensor som mottar en tilhørende del av et optisk inngangssignal som sendes over fordelingsbussen. Sensorene frembringer respektive optiske retursignaler som føres på returbussen. Antallet av trinn og antallet av sensorer i hvert trinn danner et samlet antall sensorer som er tilnærmet lik det ønskede antall sensorer. Det antall trinn og antallet av sensorer i trinnene er valgt for å redusere støyverdien i den optiske sensorarkitektur.

En optisk sensorarkitektur i henhold til foreliggende oppfinnelse innbefatter typisk en fordelingsbuss og en returbuss som begge fører pumpeenergi. Pumpeenergien gir forsterkningsgrad til optiske forsterkere som er anbrakt langs fordelings- og returbussene. Et flertall tverrtrinn og et flertall koblere forbinder hvert av trinnene med fordelings- og returbussene. Hvert av trinnene har minst en sensor som mottar en respektiv del av et optisk inngangssignal som sendes på fordelingsbussen. Sensorene frembringer respektive optiske retursignaler som føres på returbussen. De respektive brøkdeler av det optiske inngangssignal som er koblet til trinnene med koblerne i fordelingsbussen og de respektive brøkdeler av de optiske retursignaler som er koblet til returbussen av koblerne i returbussen er valgt for å redusere støyverdien for den optiske sensorarkitektur for et samlet antall av sensorene som er tilnærmet lik et ønsket antall sensorer.

Kort beskrivelse av tegningene.

Fig. 1 viser en passiv gruppe sensorer uten forsterkning.

Fig. 2 viser en forsterket gruppe i en kobler-forsterkeroppstilling ifølge et første trekk

ved foreliggende oppfinnelse.

Fig. 3 viser en forsterket gruppe i en forsterker-kobleroppstilling som beskrevet ifølge

et andre trekk ved foreliggende oppfinnelse.

Fig. 4a viser optimale koplingsforhold for fordelingsbussen for en passiv gruppe og forsterkede grupper for både kobler-forsterker- og forsterker-kobleroppstillinger med en sensor pr trinn. Fig. 4b viser støyverdien for den verste sensor når antallet av sensorer øker både i passive og forsterkede grupper der, for den forsterkede gruppe, alle sensorer nominelt har samme støyverdier. Fig. Sa viser en forsterket gruppe i henhold til et tredje trekk ved foreliggende oppfinnelse med flere sensorer i en undergruppe og i en kobler-forsterkeroppstilling ved bruk av fiberstjernekoblere for å fordele signaler i hver undergruppe. Fig. 5b viser en forsterket gruppe svarende til Fig. 5a der en fordelingsbuss og en

returbuss er anordnet i hver delgruppe.

Fig. 6a viser støyverdien for den verste sensor for sensorgruppen som er vist på Fig. 5a for forskjellige koplingsforhold for fordelingsbussen og for forskjellige antall sensorer i sensordelgruppen i en forsterker-kobleroppstilling som er 100 sensorer lang, der alle sensorer har de nominelt samme støyverdier. Fig. 6b viser støyverdien for den verste sensor for sensorgruppen som er vist på Fig. 5a for forskjellige koplingsforhold for fordelingsbussen og for forskjellige antall sensorer i sensorundergruppen og i en kobler-forsterkeroppstilling som er 100 sensorer lang, der alle sensorer har de nominelt samme støyverdier. Fig. 6c viser støyverdien for den verste sensor for sensorgruppen med forskjellige koplingsforhold for returbuss og forskjellige antall sensorer i undergruppen. Fig. 7a viser virkningen av sensortap på systemets støyverdier for passive og forsterkede grupper på 100 sensorer med en sensor pr undergruppe og et returbusskoplingsforhold på 0.5. Fig. 7b viser virkningen av spleise- og koblerinnøfringstap på systemets støyverdi for

passive og forsterkede grupper på 100 sensorer.

Fig. 8 viser et tidsskjema for påvisningssignalet og retursignalene ved bruk av tidsdelt

multipleksing.

Fig. 9 viser en gruppe med toveis sensorer og en toveis buss som virker både som fordelingsbuss og returbuss.

Fig. 10 viser idémessig en forsterket sensorgruppe med tidsdelt multipleksing.

Fig. 11 viser en idémessig forsterket sensorgruppe der et flertall sensorer (f.eks. 4) blir

multiplekset på hvert trinn ved bruk av to lxj stjemekoblere.

Fig. 12 viser støyverdien mot antall sensorer pr trinn for grupper med 60,120, 250 og 320 sensorer pr fiberpar med parameterverdier på Cd = 80%, Cr = 50%, Ls — 5 dB og 1^ = 0.4 dB. Fig. 13 viser på en nedre kurve et optimalt antall sensorer pr trinn i forhold til det samlede antall sensorer i en gruppe for å minimere støyverdien (avledet fra det geometriske sted for minima på Fig. 12) og viser i en øvre kurve det optimale antall trinn pr gruppe (eller svarende til det optimale antall forsterkere pr buss) i forhold til det samlede antall av sensorer pr gruppe. Fig. 14 viser i de øvre kurvene støyverdien NF i forhold til koplingsforholdet Cd for fordelingsbussen og koplingsforholdet Ci for returbussen for en gruppe med 200 sensorer med NF i forhold til Cr representert av den stiplede kurve for Q = 80% og j = 10 og med NF i forhold til Cd representert med en heltrukket kurve for Cr = 50% og viser på den nedre heltrukne kurve et optimalt antall sensorer pr trinn som minimerer støyverdien NF for en bestemt Q. Fig. 15 viser støyverdien i forhold til et samlet antall sensorer for en optimert forsterket

gruppe (heltrukken kurve) og for en optimert passiv gruppe (stiplet kurve).

Fig. 16 viser en idémessig forsterket sensorgruppe med tidsdelt multipleksing og et

flertall sensorer multiplekset i hvert trinn.

Fig. 17 viser en detalj ved et enkelt trinn med forsterkere fra Fig. 16 og viser

fremtredende tapmekanismer for pumpeeffekten.

Fig. 18 viser forsterkningen ved et enkelt erbium-dopet fiber med kort lengde (EDFA) i forhold til pumpeeffekt for forskjellige inngangssignaleffekter i et område av interesse for inngangspumpeeffekter omgitt ved en høy ende av ulineære fibereffekter og omgitt ved en lav ende ved minimering av forskjellen i forsterkning over gruppen. Fig. 19 viser pumpeeffekt som er bortledet i et enkelt forsterkertrinn i forhold til innfallende pumpeeffekt der koblertilleggstap, splitterinnskuddstap, og fiberoverføringstapene alle er proporsjonale med innfallende pumpeeffekt og koblertapet som regel dominerer. Fig. 20 viser samlet pumpeeffekttap for 0 mW, 1 mW, 5 mW og 10 mW gjennomsnittlige inngangssignaleffekter med koblertapet vist som referanse. Fig. 21 viser pumpeeffekt som tilføres hver forsterker for en gruppe med 13 forsterkere pr buss og 15 sensorer pr trinn (dvs. samlet 195 sensorer) og med parameterverdier for Cd = 80%, Cr = 50%, Ls = 5 dB og Lx = 0.4 dB og med inngangspumpeeffekt valgt slik at 100 mW tilføres siste forsterker.

Fig. 22 viser signal/støyforholdene mot sensorantallet for gruppen på Fig. 21.

Fig. 23a viser en sensorgruppe med en forsterket fremmatningstopologi som søker å utligne den signaleffekt som returneres fra alle sensorer på bekostning av et ytterligere bussfiber og Mberforsinkelseslinjer på en buss. Fig. 23b viser en sensorgruppe som også søker å utligne signaleffekten som returneres fra alle sensorer, med Bragg-fibergitter tilføyd ved enden av hver buss for å reflektere ubrukt pumpeeffekt. Fig. 24 viser signal/støyforholdet i forhold til sensorantallet for den fremmatende

topologi.

Fig. 25 viser en idémessig forsterket sensorgruppe svarende til Fig. 16 med toveis pumping av forsterkerne for å redusere området med pumpeeffekt som tilføres hver forsterker over gruppen, for å utligne signaleffektene som returneres fra alle sensorer. Fig. 26 viser støyverdien og fordelingsbussens behov for inngangspumpeeffekt i forhold til fordelingsbussens koplingsforhold for grupper på 10,13,17 og 20 forsterkere pr buss og tilsvarende 20,15,12 og 10 sensorer pr trinn (dvs. N » 200 sensorer pr gruppe) og med returbussens koplingsforhold stilt på 50%. Fig. 27 viser støyverdi i forhold til pumpeeffekt med kurver avledet fra Fig. 26 der Q

varierer langs de individuelle kurver mens j og n holdes konstant.

Fig. 28 viser returbussens behov for inngangspumpeeffekt i forhold til returbussens koplingsforhold for grupper med 10,13,17 og 20 forsterkere pr buss og tilsvarende 20,15,12 og 10 sensorer pr trinn (dvs. N * 200 sensorer pr gruppe) der fordelingsbussens koplingsforhold er stilt slik at støyverdien NF = 40 dB for Cr = 50%. Fig. 29 viser en anvendelse av oppfinnelsen der en tørr ende, omfattende optiske kilder og en mottaker står på land eller ombord på et fartøy og der den våte endedel som omfatter sensorgruppen er under vann. Fig. 30 viser en hydrofongruppe omfattende 1000 sensorer anbrakt i fire grupper på

250 sensorer hver.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser.

Passive grupper kan utformes for å foreta tidsdelt multipleksing (TDM) av signaler ved oppstilling av den passive gruppen 10 på den måte som er vist på Fig. 1. En fordelingsbuss 100 fører et påvisningssignal fra en kjent kilde langs sin lengde. Fordelingsbussen 100 er forbundet med et antall koblere 140 som kobler påvisningssignalet fra fordelingsbussen 100 til et antall sensorer 110 som er anbrakt med faste mellomrom over lengden av fordelingsbussen 100. Hver kobler 140 kobler deler av påvisningssignalet fra fordelingsbussen 100 til en første ende av hver sensor 110. Hver sensor vil så mobilisere påvisningssignalet basert på eksterne påvirkninger eller forandringer (ikke vist) som for eksempel akustiske signaler som påvises ved seismiske undersøkelsesaktiviteter. En andre ende av hver sensor 110 er koblet til en returbuss 100 via en kobler 142. Returbussen 120 mottar dermed det modifiserte signal fra den optiske sensor 110 og sender dette til en detektor som ligger utenfor gruppen (ikke vist). På grunn av den stigelignende form på gruppen 10 blir hver bane fra fordelingsbussen 100 gjennom en sensor 110 til returbussen 120 ofte betegnet som et trinn.

Siden den avstand signalet må forplante seg gjennom gruppen avhenger av hvilken sensor signalet er koblet til blir den modifiserte signalutgang fra sensorene 110 påtrykket returbussen 120 på forskjellige tidspunkter avhengig av avstanden mellom sensoren 110 og kilden. Sensorer som ligger nærmere kilden returnerer det modifiserte signal til prosessoren på et tidligere tidspunkt enn de sensorer som ligger lenger unna langs fordelingsbussen 100. På denne måte blir signalene fra de optiske sensorer tidsdelt multiplekset på returbussen 120. Detektoren mottar modifiserte signaler sekvensielt ved tidsintervaller som bestemmes av lengden på kildepulsen, repetisjonstakten for pulsen og den optiske avstand mellom hver av sensorene.

I en passiv gruppe blir signal/støyforholdet utsatt for en betydelig forringelse når antallet av sensorer i gruppen vokser. Fig. 4b viser at støyverdinivået øker monotont med antallet av sensorer i gruppen for passive grupper. Dette skyldes at hver påfølgende sensorkobler svekker kildesignalet før det fortsetter til neste kopling. Hvis koplingsforholdet er 0.1 vil 10% av kildesignalet bli koblet til den første sensor og 90% av signalet ført videre til neste sensor. Den andre kobler i rekken kobler 10% av det gjenværende signal inn i den andre sensor, noe som bare er 9% av det opprinnelige signal og fører så 90% av det gjenværende signal videre til den neste sensor der signalet bare er 81% av det opprinnelige signal. På denne måte blir den effekt som tilføres sensorer i senere trinn av sensorgruppen betydelig redusert fra sin opprinnelige styrke. Hvis koplingsforholdet var 0.1 vil således sensor nummer 100 motta et påvisningssignal som bare er 0.9<99> x 0.1 (dvs. 0.0003%) av påvisningssignalets opprinnelige styrke. Videre blir den effekt som returneres til detektoren bare (0.9" x 0.1)<2> (dvs. 0.0000000009%) av påvisningssignalets opprinnelige styrke (under forutsetning av at det ikke er noe tap i sensoren).

Fig. 2 viser en første del av foreliggende oppfinnelse som en gruppe 12 i en kobler-forsterkeroppstilling der forringelsen av signal/støyforholdet (SNR) blir motvirket ved bruk av erbium-dopede fiberforsterkere (EDFA) 130,132. De erbium-dopede fiberforsterkere 130,132 regenerer de optiske signaler periodisk idet de forplanter seg gjennom gruppen. De erbium-dopede fiberforsterkere 130,132 blir dannet ved spleising av en seksjon av Er-dopet fiber inn i fordelings- og returbussene. Ved bruk av forsterker-pumpelasere kan det Er-dopede fiber virke som en optisk forsterker. Et hvilket som helst antall av forskjellige typer forsterkere med optiske fiberledere kan også benyttes. Yb:Er:glassfiber og Nd-dopet LiNbC>3 bølgeledere er blant de mange typer optiske forsterkere som med fordel kan benyttes i foreliggende oppfinnelse i stedet for de Er-dopede fiberforsterkere.

Ideelt sett bør Er-dopet fiber pumpes fra begge ender av hver buss (dvs. fordelingsbussen 100 og returbussen 120) med en bølgelengde på 1480 nm. Dette reduserer den samlede pumpeeffekt som er nødvendig for å sikre at hver forsterker blir tilstrekkelig pumpet. Særlig blir en første pumpelaser 102 koblet til en første ende av fordelingsbussen 100 slik at stort sett alt pumpelys blir ført inn i fordelingsbussen 100 for å forplante seg i en retning forover i fordelingsbussen 100. En andre pumpelaser 104 er koblet til den motsatte enden av fordelingsbussen 100 slik at pumpelyset fra den andre pumpelaser 104 forplanter seg i motsatt retning gjennom fordelingsbussen 100. Fordelingsbussen 100 fører et optisk signal som er koblet fra signalkilden 106 over sin lengde. Signalkilden 106 er koblet til fordelingsbussen via en bølgelengdedelende multiplekser 108.1 den utførelse som er vist er den bølgelengdedelende multiplekser 108 valgt for å koble så godt som alt signallys fra signalkilden 106 til fordelingsbussen 100. Som vel kjent på dette området vil stort sett intet lys fra pumpekilden 102 bli koblet med den bølgelengdedelende multiplekser 108 slik at pumpelyset forblir i fordelingsbussen 100.

Fordelingsbussen 100 er forbundet med koblerne 140 som kobler fordelingsbussen 100 til et antall sensorer 100 som er plassert med faste mellomrom langs lengden av fordelingsbussen 100. Fordelingsbussen 100 er også forbundet med et antall erbium-dopede fiberforsterkede 130 som er plassert langs fordelingsbussen 100 og står rett etter hver av koblerne 140. Hver kobler 140 kobler delvis påvisningssignalet fra fordelings-bussen 100 inn i en første ende av hver sensor 110. Koplingsforholdene er som regel meget større for en optimert praktisk forsterket gruppe enn for en optimert praktisk passiv gruppe. Hver sensor 110 modifiserer så signalet basert på en ekstern inngang (f.eks. akustiske signaler, ikke vist).

Hver av koblerne 142 kobler en annen ende av hver sensor 110 til returbussen 120 som mottar det modifiserte signal fra sensoren 110 og returnerer dette til en detektor 126 som finnes utenfor sensorgruppen. Returbussignalene blir forsterket med forsterkere 132 for å kompensere for signaldelingen med returkoblere 142. Forsterkerne 132 mottar pumpeeffekt fra en tredje pumpelaser 122 som kobler pumpelys til en første ende av returbussen 120 for at lyset skal forplante seg i en første retning i returbussen 120 og fra en fjerde pumpelaser 124 som kobler lys til den motsatte ende av returbussen 120 for å forplante dette i den motsatte retningen for lyset fra den tredje pumpekilde 124. Detektoren 126 er koblet til returbussen 120 nær ved den første ende med en bølgelengdedelende multiplekser 128 som kobler lyset med signalbølgelengden fra returbussen 120 til detektoren 126, men som ikke kobler lys med pumpebølgelengden.

I en fordelaktig utførelse av foreliggende oppfinnelse er signalkobleme 140,142 som kobler det optiske signal til og fra de respektive sensorer bølgelengdedelende multipleksere. Bølgelengdedelende multipleksere er konstruert for å koble bare på forhånd bestemte bølgelengder inn til sensorene. Lys med en bølgelengde som ikke er en av de på forhånd valgte bølgelengder blir ikke koblet og slipper gjennom den bølgelengdedelende multiplekser. Ved valg på forhånd av signalbølgelengden som den bølgelengde som skal kobles er foreliggende oppfinnelse i stand til å koble bare det optiske signal inn til sensorene, mens forsterkerens pumpelys kan passere gjennom multiplekseren ukoblet. Denne motvirker en betydelig forringelse av forsterkerens pumpelys idet det forplanter seg langs fordelingsbussen.

Straks kildesignalet passerer gjennom den første kobler 140 til den første optiske sensor 110 blir det signal som er tilbake på fordelingsbussen 100 forsterket med en av de erbium-dopede fiberforsterkere (EDFA) 100 som har en forsterkningsgrad valgt for å øke effekten av det optiske signal tilbake til tilnærmet effekten (f.eks. 100-110 prosent) av det opprinnelige optiske signal. Forsterkningen med EDFA 130 blir valgt hovedsakelig for å kompensere for det signaleffekttap som skyldes den umiddelbart forangående kopling og eksterne tap. Signalet blir suksessivt koblet og forsterket med avvekslende koblere 140 og optiske forsterkere 130 når signalet fortsetter å forplante seg ned lengden av fordelingsbussen 100. På denne måte vil inngangspulsen forplante seg langs fordelingsbussen 100 og få tilført og tape effekt på hvert trinn samtidig med at den får minimal samlet økning eller tap. En tilsvarende utformning finnes for returbussen. Den utformning som er vist på Fig. 2 blir betegnet som kobler-forsterkeroppstilling.

Foreliggende oppfinnelse unngår det signalforringelsesproblem som hersker i den passive gruppe på Fig. 1. Hver sensor 110 mottar et kildesignal med stort sett samme

effekt selv om sensoren 110 kan ligge langt vekk langs fordelingsbussen 100 og signalet kan ha gjennomgått mange tidligere sensorkoplinger. Foreliggende oppfinnelse er også i stand til å holde effektnivået på det optiske signal på et styrbart nivå for dermed å unngå effekter på grunn av ulineæritet i fibere som oppstår når optiske effekter i fibere øker.

Et annet trekk ved foreliggende oppfinnelse er en gruppe 14 som er vist på Fig. 3.1 denne utførelse er erbium-dopede fiberforsterkere (EDFA) 130 innsatt over lengden av fordelingsbussen 100 på samme måte som Fig. 2, men de er plassert foran koblerne 140 slik at kildesignalet blir forsterket før koplingstapene oppstår. Forsterkningen i hver forsterker 130 er stilt for å kompensere for det forventede signaleffekttap i kobleren 140 som følger forsterkeren 130.1 denne oppstilling blir det optiske signal utsatt for en forsterkning før tapet, noe som forandrer støykarakteristikkene og optimale verdier for koplingsforholdet. Denne oppstilling er betegnet som forsterker-kobleroppstilling. Fig. 4a viser optimale koplingsforhold for fordelingsbussen for passive og forsterkede grupper i både kobler-forsterker og forsterker-kobleroppstillinger med en sensor pr trinn og 100 trinn pr gruppe (dvs. et samlet antall på 100 sensorer i gruppen). Gruppene som er vist på Fig. 4a har et tap Lx = 0.2 dB og et sensortap Ls = 6 dB. Den forsterkede gruppe benytter fordelingsbussens koplingsforhold optimalt for å redusere støyverdien og et returbusskoplingsforhold p 3 dB. Fig. 4a viser at for de forsterkede grupper som er vist på Fig. 2 og 3 finnes et optimalt koplingsforhold for koblerne på fordelingsbussen og at når antallet av sensorer øker blir den optimale fordelingsbusskopling redusert både for kobler-forsterker og forsterker-kobleroppstillingene. Fig. 4b viser at begge forsterkede gruppeoppstillinger oppviser samme støyverdi-avhengighet med hurtig økning til støyverdier på 30dB og deretter langsom økning fra dette og når bare 44 dB når N er lik 200 sensorer. I sammenligning vokser støyverdien for den passive gruppe (nedtegnet fra likning 5) langt hurtigere gjennom interesseområdet og kommer opp til et prohibitivt høyt støyverdinivå på 140 dB ved 200 sensorer. For store sensorgrupper (100 eller flere sensorer) byr en forsterket gruppe på en stor forbedring i signal/støyforholdet sammenlignet med en standard passiv gruppe. Hvis en støyverdi på ikke mer enn f.eks. 40 dB kan godtas kan den optimale passive gruppe ha bare omtrent 12 sensorer, mens den forsterkede gruppe kan ha så mange som 100 sensorer, dvs. nesten ti ganger så mange som i den passive gruppe for samme støyverdi.

Ifølge et tredje trekk ved foreliggende oppfinnelse er den enkle sensor 110 mellom hvert par koblere 140,142 som er vist på Fig. 2 og 3 byttet ut med en undergruppe av sensorer som vist i en gruppe 16 på Fig. 5a. Som beskrevet ovenfor mottar en fordelingsbuss 100 et signal fra en ekstern kilde og fører dette over hele sin lengde. En del av signalet blir splittet av kobleren 140 som i oppstillingene ovenfor. Imidlertid kobler en fiberstjernekobler 150 en tilnærmet lik brøkdel av signalet inn i hver sensor 110 i en undergruppe 160 som er en passiv gruppe omfattende et lite antall sensorer 110. Fiberstjernekobleren 150 deler påvisningssignalet likt blant sensorene i undergruppen. Signalene som blir delt av fiberstjernekobleren 150 forplanter seg gjennom respektive av sensorene 110 og blir koblet tilbake mot returbussen 120 av en annen fiberstjernekobler 152 og kobleren 142. Ved å velge forskjellig lengde på hver av fibrene i undergruppen 160 blir lengden på hver signalbane gjennom undergruppen 160 unik. Dette hindrer pulser fra hver av sensorene 110 i undergruppen 160 i å overlappe i tid på returbussen 120 når tidsdelt multipleksing benyttes. I tillegg må den samlede banelengde fra den siste sensor i en undergruppe bli mindre enn den samlede banelengde for den første sensor i neste undergruppe. Dette vil hindre to sensorer i å ha samme samlede banelengde og overlapping i tid på returbussen.

Når de er kommet til returbussen 120 fortsetter de forandrede signaler gjennom økning-tapsyklusen inntil de kommer frem til detektoren og en behandlingsanordning (ikke vist). Dette trekk ved foreliggende oppfinnelse har den fordel at antallet av forsterkere som er nødvendig i gruppen reduseres. Ytterligere fordeler innbefatter lavere behov for pumpeeffekt og bedre signal/støyforhold (SNR) til et bestemt punkt og muligheten for å drive grupper på opp til 400 sensorer. Fig. 5b viser en alternativ utførelse av Fig. 5a der fiberstjernekoblerne 150,152 er byttet ut med en fordelingsbuss 170 og en returbuss 172 i hver undergruppe som er koblet til sensorene 110 via respektive fordelingskoblere 174 og returkoblere 176. Det skal påpekes at kombinasjoner av stjernekoblere og en returbuss eller en fordelingsbuss og stjemekoblere også kan benyttes for å koble til og fra sensorene i undergruppene. Fig. 6a viser virkningen ved endring av koplingsforholdet og antallet av sensorer i hver undergruppe i forsterker-kobleroppstillingen på systemets støyverdi for en gruppe med et samlet antall på 100 sensorer. For 1 og 2 sensorer pr undergruppe finnes det et optimalt koplingsforhold som reduserer støyverdien. For 1 sensor pr undergruppe er minimum støyverdi 39 dB ved et koplingsforhold på 0.28. Når det er 2 eller 4 sensorer pr undergruppe er støyverdien lavere. I en oppstilling med 2 sensorer ligger støyverdien på et minimum på 38 dB når koplingsforholdet er 0.55. Dette resultat viser at ved å benytte 2 sensorer pr undergruppe i stedet for 1 kan det samme støyverdinivå oppnås i et system som krever halvparten så mange forsterkere for det samme totale antall sensorer. Årsaken til denne reduksjon i støyverdien er en reduksjon i de samlede forsterkeres spontane emisjon (ASE) støy på grunn av reduksjonen i antallet av forsterkere for et tilsvarende antall sensorer.

Når signal-ASE svingestøy begrenser signal/støyforholdet i stedet for haglstøy vil reduksjon av påvist effekt ikke ha noen særlig sterk virkning på utgangssignal/støy-forholdet. Mens 2 sensorer pr undergruppe resulterer i lavere påvist effekt (med en fjerdedel) reduserer det også mengden av signal-ASE svingestøy noe som byr på noe bedre ytelse. Fig. 6a viser at med 4 sensorer pr undergruppe blir støyverdien fortsatt forbedret når koplingsforholdet nærmer seg 1. Med et høyt koplingsforhold på 0.95 kan systemets støyverdi senkes til 36 dB. Ved dobling av antall sensorer i undergruppen og halvering av bussforsterkere og koblere kan således både det samlede antall komponenter og det samlede behov for pumpeeffekt reduseres med bibehold av systemets signal/støyforhold.

Fig. 6b viser samme analyse for kobler-forsterkeroppstilling. Som ovenfor vil verdien på det optimale koplingsforhold avhenge av antallet av sensorer i undergruppen, mens støyverdien ikke gjør det. Fig. 6b viser at når antallet av sensorer i undergruppen øker fra 1 til 2 til 4 forandres verdien på det optimale koplingsforhold fra 0.2 til 0.35 til 0.55, mens støyverdien forblir konstant på like under 40 dB.

Returbusskoblerne 142 har ikke et optimalt koplingsforhold, men gir bedre resultater med høyere kopling som vist på Fig. 6c. Støyverdinivået er vist for både forsterker-kobler og kobler-forsterkeroppstillinger og for forskjellige størrelser på undergruppen. For alle oppstillinger blir fordelingsbussens koplingsforhold optimert og det samlede antall sensorer er 100. Når returbussens koplingsforhold øker fra 0.2 til 0.95 vil støyverdinivåets forringelse for begge oppstillinger som er vist på Fig. 6c og for 1, 2 eller 4 sensorer pr undergruppe være mindre enn 1 dB. Returbusskoplingen kan derfor fritt velges basert på forsterkerpumpebetrakminger (et lavere koplingsforhold betyr lavere behov for pumpeeffekt). Spredningen i støyverdinivåene for forskjellige gruppeoppstillinger er et resultat av valget av det optimale koplingsforhold for fordelingsbussen som vist på Fig. 6a.

Det følgende definerer systemets parametere:

n = antall undergrupper

j = antall sensorer pr undergruppe

nj = samlet antall sensorer

Q = koplingsforhold for fordelingsbussen (koblere 140)

Cr = koplingsforhold for returbussen (koblere 142)

Lx = spleise og innføringstap i hvert koblersegment

Ls = sensortap

nsp = forsterkers inversjonsparameter

På grunn av en tilstedeværelse av de optiske forsterkere 130 og 132 som tilfører forsterket spontan emisjon (ASE) til signalet er utgangen fra den forsterkede gruppe ikke lenger begrenset av haglstøy som i den passive gruppe, men haglstøy og signal ASE svingende støy er dominante ledd. For å komme frem til støyverdien for den verste sensor må støyverdiberegninger ta hensyn til ASE fra alle forsterkerne.

Det antas at hver forsterker 130 på fordelingsbussen er identisk og har samme forsterkningsgrad. Likeledes antas det at forsterkerne 132 på returbussen har identisk forsterkning sammen med en inversjonsparameter som er lik inversjonsparametrene for forsterkerne på fordelingsbussen. Mens fjempumping av forsterkerne 130, 132 fra hver bussende gjør det mulig for systemet å oppnå denne tilstand vil i praksis forsterkerne være litt forskjellig på grunn av fremstillingstoleranser og uensartet pumpeeffekt og signaleffekt. Forsterkningsgraden er satt lik tapet på bussen, noe som resulterer i en forsterkningsgrad på: for fordelingsbussens forsterkere 130 og en forsterkningsgrad på

for forsterkerne 132 på returbussen. Inngangssignalet antas å være pulset og pumpingen antas å være kontinuerlig, noe som resulterer i en kontinuerlig forsterket spontan

emisjon (ASE). Selv om banelengden for hver sensor 110 er forskjellig kan således den ASE som gjennomløper en sensor 110 innvirke på støykarakteristikkene for et signal fra en annen sensor 110.

På grunn av de sterke signaleffekter kan ASE-ASE svingestøy og ASE haglstøy settes ut av betraktning ved utforming av systemet. For den oppstilling som er vist på Fig. 3 der en forsterker 130, 132 er plassert foran den første kobler på begge busser 100,120 blir støyverdinivået:

Det skal påpekes at dette uttrykk er det samme for hver sensor 110 i motsetning til hva som er tilfellet ved den passive gruppeoppstilling. Reaksjonen fra hver sensor blir påvirket likt av signal-ASE svingestøy.

Likning 8 kan med fordel benyttes til å velge en optimal kombinasjon av antall trinn og antall sensorer pr trinn for et ønsket antall sensorer. Særlig kan heltallverdier for n (antall undergrupper eller trinn) og j (antall sensorer pr undergruppe) som har et produkt nær opptil eller lik det ønskede antall sensorer substitueres i likning 8 og verdien for støyverdinivået beregnes for hver kombinasjon. Den kombinasjon som frembringer det laveste støyverdinivå blir så valgt som den optimale kombinasjon for det ønskede antall sensorer.

Ved bruk av samme løsning som for likning 8 kan det vises at støyverdinivået for kobler-forsterkersystemet nu er

For å optimalisere den forsterkede gruppeytelse er det nødvendig å eksaminere virkningene av koplingsforholdene for fordelingsbuss og returbuss på systemets støyverdinivå slik det ble gjort for den passive gruppe. Likningene 8 og 9 viser at det ikke finnes noe optimalt koplingsforhold for returbussen 120. Systemet er stort sett ufølsomt for Cr- Det finnes imidlertid et optimalt koplingsforhold for koblerne 140 på fordelingsbussens om vist på Fig. 4a. Det overskytende tap ble valgt til 0.2 dB, sensortapet var valgt til å være 6 dB og forsterkerens inversjonsparameter nsp var valgt som 1.5. 3 dB koblere er benyttet i returbussen 120 med to sensorer 110 i hver undergruppe. Når antallet sensorer 110 i gruppen øker vil den optimale fordelingsbusskopling Cd falle for begge oppstillinger. Det kan vises at for store antall sensorer med 1 sensor pr trinn (en forsterker pr buss pr sensor) vil det optimale koplingsforhold nærme seg: for forsterker-kobleroppstillingen og

for kobler-forsterkeroppstillingen. I begge oppstillinger vil den optimale verdi for Q avhenge ikke bare av antallet av sensorer 110 i systemet, men også av sensortap, overskytende tap, antall sensorer i en undergruppe og forsterkerinversjonen. Begge optimale koplingsforhold faller med l/n<1>'<2> sammenlignet med tilnærmet l/N for den passive gruppe på Fig. 1. Forsterker-kobleroppstillingen krever høyere optimale koplingsforhold, tilnærmet 1 for små antall sensorer. I den følgende analyse med verdiene for n der den optimale verdi for Q er forutsatt å være nær 1 har den i virkeligheten blitt begrenset til 0.95 siden en Cd for nær opp til 1 ville kreve en fordelingsforsterker 130 med en urealistisk høy forsterkningsgrad. På tilsvarende måte ville en Cr for nær opp til 1 kreve en returforsterker 132 med en urealistisk høy forsterkningsgrad.

Sensortapverdiene innvirker også på de optimale koplingsforhold. I den ovenstående situasjon ble sensortapet antatt å være 6 dB. Dette ble valgt for å ta hensyn til et 3 dB tap i en ubalansert Mach-Zehnder sensor og et 3 dB fiberbøyetap i en viklet sensor. Fig. 7a viser virkningen av forskjellige sensortap på støyverdien for den verste sensor i gruppen med 100 sensorer for både passive og forsterkede grupper. Både passive og forsterkede grupper ble utsatt for en støyverdiforringelse for signalet når sensortapene øker. Over et sensortapområde på 0 til 15 dB forringes de forsterkede grupper med høyst 8 dB, mens den passive gruppe forringes med 15 dB. Det ligger også en fordel ved forsterker-kobler-gruppens oppstilling sammenlignet med kobler-forsterkeroppstillingen som vist på Fig. 7a. De to oppstillinger begynner bare 0.3 dB fra hverandre når sensortapet er null. Ved 15 dB sensortap har imidlertid forsterker-kobleroppstillingen et støyverdinivå nesten 2 dB under kobler/forsterkeroppstillingen.

Fig. 7b viser virkningen av overskytende tap på både passive og forsterkede grupper i en 100 sensorgruppe med en sensor pr undergruppe. Når det overskytende tap på bussene øker fra 0 til 1 dB pr koblersegment får de forsterkede grupper bare en 2 dB forringelse av støyverdinivået. I de forsterkede grupper blir fortrinnsvis ekstra forsterkningsgrad tilføyd når ekstra tap blir påtruffet slik at forsterkningen alltid er lik tapet. Støyverdi-nivået for den passive gruppe øker fra 55 dB uten overskytende tap til så meget som 255 dB ved et 1 dB spleise- og koblertap. Dette viser den høye følsomhet den passive gruppe har overfor komponenttap, mens de forsterkede grupper holdes forholdsvis stabile når komponenttapene øker så lenge disse tap er kjent på forhånd og tilstrekkelig forsterkning tas med for å utligne for høyere innskuddstap. Typiske spleise- og innskuddstap er omtrent 0.2 dB, noe som gir en passiv gruppe en 40 dB økning i støyverdien og lar den forsterkede gruppe være forholdsvis uforandret.

Forsterkede grupper er derfor tydelig overlegne sammenlignet med standard passive grupper, noe som resulterer i en lavere systemstøyverdi og forbedret signal/støyforhold ved detektoren når koplingsforhold blir optimert. For realistiske spleise- og innskuddstapnivåer er det vist at forsterkede grupper har samsvarende signal/støyforhold-karakteristikker for grupper med et antall sensorer en størrelsesorden høyere enn antallet av sensorer i passive grupper. Det optimale koplingsforhold avhenger av gruppeoppstillingen og antall sensorer i gruppen og gir de foretrukne formgivningsparametere for å maksimere signal/støyforholdet (SNR) for forsterkede sensorgrupper. I alle tilfeller har forsterker-kobleroppstillingen vist seg å være overlegen koble-forsterkeroppstilhngen og oppviser noe lavere støyverdinivåer over alle relevante parametere. For storskalasensor-utsetning der det må tas hensyn til fiberantallet og hvor komplisert systemet er viser forsterkede TDM grupper betydelige fordeler over vanlige passive TDM grupper.

Selv om det ovenfor er beskrevet i forbindelse med sensorgrupper der hver sensor har en utgang og en inngang og der sensorgruppen omfatter en fordelingsbuss og en returbuss skal det påpekes at sensoren kan arbeide med toveis sensorer og med en toveis buss som virker både som fordelingsbuss og returbuss. En slik gruppe 200 er vist på Fig. 9. Gruppen 200 omfatter en enkel optisk buss 204 (f.eks. et optisk fiber) som strekker seg mellom en pumpelaserkilde 102 og en pumpelaserkilde 104 som beskrevet ovenfor i forbindelse med Fig. 2. Utgangene fra signalkilden 106, også beskrevet ovenfor, og pumpelaserkilden 104 er koblet til den optiske buss 204 via en bølgelengdedelende multiplekser 208 som tilsvarer den bølgelengdedelende multiplekser 108 på Fig. 2. Detektoren 126 som er beskrevet ovenfor er også koblet til den optiske buss 204 via en kobler 214 og den bølgelengdedelende multiplekser 208. Som et alternativ kan kobleren 214 byttes ut med en vanlig optisk sirkulator (ikke vist) som kobler lyset fra signallaseren 106 inn til den optiske buss 204 via den bølgelengdedelende multiplekser 208. Den optiske sirkulator kobler også lys som mottas fra den optiske buss 204 via den bølgelengdedelende multiplekser 208 til detektoren 126.

Som vist på Fig.9 er den optiske buss 204 koblet til et flertall sensorer 202 via et tilsvarende flertall av koblere 140. Forsterkerne 130 mellom sammenstående koblere sørger for å forsterke fordelingssignalet som beskrevet ovenfor i forbindelse med Fig. 2. I motsetning til sensorene 110 i gruppen 12 på Fig. 2 er sensorene 210 toveis fordi de bare har en enkelt inngangs/utgangsport. Lys som kommer inn ved inngangs/utgangsporten for en sensor blir forandret med en parameter som f.eks. et akustisk signal og lyset som kommer ut fra den samme inngangs/utgangsport forplanter seg i den motsatte retning. Koblerne 140 er toveis og kobler lys fra sensorene 210 tilbake til den optiske buss 204, men dette forplanter seg i den motsatte retning mot den bølgelengdedelende multiplekser 208. Forsterkerne 130 er også toveis og forsterker retursignalene på samme måte som returbussforsterkeme 132 på Fig. 2. Det vil således sees at gruppen 200 på Fig. 9 arbeider på samme måte som gruppen 12 på Fig. 2, men med bare en enkel optisk buss 204.

På tilsvarende måte kan gruppen 1 på Fig. 3 og gruppen 16 på Fig. 5a omdannes til toveisgrupper (ikke vist) ved bruk av sensorer som har enkle inngangs/utgangsporter.

Den følgende beskrivelse angår optimering av signal/støyforholdet for storskala-fibersensorgrupper med erbium-dopet fiberforsterkertelemetri når det gjelder antallet av sensorer pr trinn, antallet forsterkere pr gruppe og koplingsforholdet mellom fiberbussene og trinnene. Det er blitt funnet brede optimumområder og dette gir fleksibilitet ved utformning for å minimere behovet for pumpeeffekt. Simuleringer viser at 300 sensorer kan bli multiplekset på et fiberpar med bibehold av en høy følsomhet (1 urad/VHz) for alle sensorer med en moderat inngangspumpeeffekt (<1 W).

Interferometriske fiberoptiske akustiske sensorer har oppnådd mer enn en 1 urad/VHz følsomhet, noe som kan tolkes til bedre enn 10 dB under de typiske akustiske støynivåer i havene. (Se f.eks. P. Nash, "Review of Interferomatric Optical Fibre Hydrophone Technolog<y>" IEE Proceedings - Radar Sonar And Navigation. nr. 143, juni 1996, sidene 204-209 og A. D. Kersey, "A Review of Recent Developments in Fiber Optic Sensor Technology", Optical Fiber Technology: Materials. Devices and Systems, nr. 2, juli 1996 sidene 291-317). Mange hydrofonanvendelser, særlig til seismiske undersøkelser etter undersjøiske oljeforekomster krever multipleksing av et stort antall slike sensorer over på noen få fibere og plassering av sensorene i lang avstand (1-50 km) fra mottakerelektro-nikken. Som omhandlet ovenfor kan en tidsdomene multiplekset (TDM) sensorgruppe med et flertall fiberforsterkere med lav forsterkningsgrad drive hundreder av inter-ferometriske sensorer på et par fibere. Denne fremgangsmåte bibeholder det store dynamiske området (> 120 dB/VHz) som ligger i eksisterende fiberinterferometriske hydrofonsensorer. Som omhandlet ovenfor kan en gruppe som har 10 trinn og 20 erbium-dopede fiberforsterkere (EDFA) i prinsippet drive mer enn 100 sensorer. Grupper med 64 sensorer og to erbium-dopede fiberforsterkere er blitt demonstrert som eksperiment. (Se f.eks. A.D. Kersey, A. Dandridge, A.R. Davis, C.K. Kirdendall, M.J. Marrone og D.G. Gross "64-Element Time-Division Multiplexed Interferometric Sensor Array with EDFA Telemetry", i OFC' 96 nr. 2,1996 OSA Technical Digest Series, publikasjon ThP5).

Som omhandlet ovenfor driver hvert trinn i en grunnoppstilling for gruppen en sensor. Den følgende beskrivelse angår gruppeoppstillinger der flere sensorer er anbrakt i hvert trinn (ved bruk av TDM). Med riktig valg av gruppeparametere kan slike oppstillinger by på bedre ytelser sammenlignet med oppstilling med en sensor pr trinn. Særlig blir signal/støyforholdet (SNR) for alle sensorer forbedret, det samlede antall forsterkere (for et gitt antall sensorer) bli redusert og den samlede pumpeeffekt som kreves for forsterkere bli redusert. Med denne topologi kan bare omtrent 25 fiberforsterkere pr buss drive 300 sensorer på et par fibere mens alle sensorer oppviser så godt som samme signal/støyforhold over 120 dB. Pumpeeffektbehovet for denne type gruppe er omhandlet i det følgende og det er påvist hvorledes dette behov, med riktig valg av gruppeparametere kan minimeres uten særlig forandring av signal/støyforholdet (SNR).

Sensorgrupper med typiske passive multipleksmetoder er alvorlig begrenset når det gjelder antall av sensorer som kan multiplekses på et fiberpar fordi de passive splittetap som er knyttet til den første fordeling av et signal fra et fiber til mange sensorer og deretter rekombinering av signalene på et annet fiber. Som omhandlet ovenfor er en måte å kompensere for disse passive splittetap og øke maksimumantallet av sensorer pr fiberpar å føye til en optisk forsterker foran hver kopling på begge busser som vist på

Fig. 10. En enkeltsignalpuls (dvs. et optisk inngangssignal) blir sendt i en fordelingsbuss 300. Pulsen blir forsterket i en første forsterker 302 med forsterkningsgrad Gd, en første kobler 304 leverer en del Cd av pulsen til et første trinn 306 og den gjenværende del (1-O) blir sendt til en påfølgende forsterker 302. Forsterkningsgraden i hver forsterker 302 er stilt nøyaktig for å kompensere for alle påfølgende tap (hovedsakelig koblersplittetap og spleisetap) før den neste forsterker. Signalpulsen fortsetter langs fordelingsbussen 300 på denne måte og alle sensorer 310 får tilført en lik mengde signaleffekt. På tilsvarende måte blir en signalpuls fra hver sensor 310 (dvs. et optisk retursignal) koblet til en returbuss 312 via en kobler 314 med koplingsforhold Cr. Signaler som allerede er på returbussen 312 møter en kobler og brøkdelen (1-Cr) av deres effekt blir overført til en påfølgende forsterker som har en forsterkning Gr. Igjen skal hver forsterker utligne nøyaktig tapene mellom forsterkerne og sørge for enhetlig overføring av signalene langs returbussen 312 til en detektor (ikke vist). Hver sensor tilbakefører en stor og lik mengde signaleffekt til detektoren som et utgangssignal slik at alle sensorer får samme SNR og dermed identiske følsomheter. Ved riktig valg av signalpulsbredde og avstand mellom koblere vil to retursignalpulser ikke overlappe hverandre på returbussen 300.

(Se f.eks. J. L. Brooks, B. Moslehi, B. Y. Kim and H.J. Shaw, "Time Domain Addressing of Remote Fiber Optic Interferometric Sensor Arrays", Journal of Lightwave Technology, nr. LT-5, juli 1987 sidene 1014-1023). Den signalpuls som returnerer fra den første sensor ankommer først og signalpulsen som returnerer fra den siste sensor ankommer sist. Påfølgende signalpulser blir overført i fordelingsbussen 300 slik at utgangssignalene som frembringes med påhverandre følgende signalpulser ikke overlapper utgangssignalene som ble frembrakt av de forutgående utsendte signalpulser slik at de respektive pulser blir tidsmessig atskilt. Signalpulsene forplanter seg langs bussene 300 og 312 og mottar og taper energi i hvert trinn, men blir ikke utsatt for noen samlet effektøkning eller tap. Ved periodisk regenerering av signalet er denne grunnleggende begrensning ved passive grupper overvunnet.

Alle forsterkere blir fjernpumpet fra den forreste ende av gruppen 320 fra en (eller flere) pumpelasere (se Fig. 10). Koblerne er utført med bølgelengdedelene multipleksende (WDM) konstruksjon slik at pumpen forplanter seg bare langs bussene 300 og 312 og blir aldri koblet inn i trinnene 310. Pumpeeffekten ved den første forsterker 302 er meget større enn forsterkerens pumpeterskel. Av den grunn er den første forsterker i en tilstand med høy pumpemetning. Den absorberer en liten brøkdel av den innfallende pumpeeffekt og sender den store gjenværende effekt til forsterkere på nedstrømsiden som også arbeider i det høye pumpemetningsområde. Pumpeeffektbehovet er slik at tilstrekkelig pumpeeffekt blir overført i hver buss slik at pumpeeffekten ved den siste forsterker er høy nok for riktig drift. Sluttresultatet er at det er mulig å pumpe titalls forsterkere med lav forsterkningsgrad fra et fjerntliggende sted med en moderat mengde pumpeeffekt (i størrelsesordenen 1 W ved 1480 nm).

For å opprettholde en modulutformning for gruppen 320 er alle koblere 304 på fordelingsbussen 300 fortrinnsvis identiske (med samme koplingsforhold Cd) og alle forsterkere har fortrinnsvis samme lengde (samme forsterkningsgrad Gd). På tilsvarende måte er koblerne 314 (koplingsforhold Cr) og forsterkerne 316 (forsterkningsgrad Gr) på returbussen 312 fortrinnsvis identiske selv om Q og Cr kan være forskjellige og Gd og Gr kan være forskjellige. De første forsterkere på hver buss (dvs. de forsterkere som er nærmest de respektive pumpekilder) mottar og absorberer mer pumpeeffekt enn de siste slik at forsterkningsgradene for de første forsterkere er større enn forsterkningsgradene for de siste. Imidlertid er disse forskjeller i forsterkningsgrad små for høy pumpeeffekt og kan settes ut av betraktning. På denne måte vil alle sensorer returnere nesten identiske mengder av signaleffekt. For å sammenligne forskjellige oppstillinger blir systemets støyverdi (NF) som tidligere er definert benyttet:

Fordi hver forsterker har en lav forsterkning vil hver enkelt kontinuerlig tilføye bare en liten mengde støy i form av forsterket spontan emisjon (ASE). Som også beskrevet ovenfor, siden hver sensor fortrinnsvis returnerer den samme signaleffekt og blir likt påvirket av cw ASE er signal/støyforholdet identisk for alle sensorer.

Oppstillingen på Fig. 10 har 1 sensor pr trinn og et samlet antall på N sensorer og dermed ett par forsterkere pr sensor, dvs. et samlet antall på 2N forsterkere i gruppen. Oppstillingen på Fig. 10 frembringer en egnet støyverdi, men den krever et stort antall forsterkere (2 pr sensor) og dermed stort pumpeeffektbehov. For å redusere antallet forsterkere kan et flertall sensorer anbringes på hvert trinn ved bruk av stjemekoblere 330 som vist i gruppen 331 på Fig. 11 som har en fordelingsbuss 344, en returbuss 346 og et flertall trinn 334. Bruk av et par av Ixj stjemekoblere 330 for å plassere j sensorer 332 i hvert trinn 334 reduserer antallet av fordelingsbussforsterkere 336 og antallet av returbussforsterkere 337 med en faktor på j. Dette resulterer i et lavere pumpeeffektbehov og en annen støyverdi for de returnerende signaler. To antagonistiske effekter virker inn på denne støyverdi. Den første er at når antallet av forsterkere 336, 337 reduseres faller ASE som returneres til en detektor (ikke vist) og støyverdien forbedres. Den andre effekt er at når j øker vil splittetapet i stjemekoblerne 330 øke slik at signaleffekten som returneres fra hver sensor reduseres med en faktor på f (to koblere pr trinn) og støyverdien forverres.

En ytterligere påvirkning på støyverdien er koplingsforholdet for koblerne 340 og 342 som er plassert henholdsvis på fordelingsbussen 344 og returbussen 346. Forsterkningsgraden for hver av fordelings- og returbussforsterkerne 336 og 337 er direkte knyttet til koplingsforholdene med det krav at fordelingsbussens overføring Td og returbussens overføring Tr fra en forsterker til den neste er 1, der Lx er det overskytende tap mellom forsterkerne på grunn av spleiser og kobleren. Dette krav om enhetlig overføring er nødvendig slik at hver sensor tilbakefører en lik mengde signaleffekt. Når koplingsforholdene øker blir mer signaleffekt tilført hvert trinn og ført tilbake til detektoren og SNR forbedres. Økning av koplingsforholdene vil delvis kompensere for signaltapet på hvert trinn Lirinn = L^ lf, hvor Ls er overføringstapet for en enkeltsensor og Lj er splittetapet for en \ xj stjernekobler. Overføringen fra fordelingsbussen 344 til et trinn 334 gjennom sensoren 332 og over på returbussen 346 er:

hvori det gjøres bruk av likning 12. Overføringen er større enn Ltrinn når Cd > ( l- Cd) og Cr > (1-G) som er tilfredstillet når f.eks. Cd > 50% og Cr > 50%. Med dette valg av koplingsforhold får signalet en forsterkningsgrad ved inngang eller utgang fra et trinn som søker å kompensere for Llrinn. Videre øker dette valg signaleffekten som føres tilbake til detektoren og forbedrer støyverdien. Imidlertid vil økning av koplingsforholdene og forsterkningsgradene også øke pumpeeffektbehovet. Derfor må et kompromiss gjøres mellom støyverdi og behov for pumpeeffekt.

For å analysere støyegenskapene ved den nye topologj som er gjengitt på Fig. 11 er det nødvendig å bestemme den oppstiling (verdi for j og n og koplingsforholdene Cd og Cr) som frembringer den laveste støyverdi for et gitt antall sensorer N mens det benyttes fornuftige signal- og pumpeeffekter.

De tre hovedbidrag til støyverdien for gruppen 331 på Fig. 11 er (1) signaldempning, (2) den samlede ASE som frembringes av fordelingsbussforsterkeme og som når detektoren via sensorene og fører til signal ASE svingestøy og (3) den samlede ASE som frembringes av returbussforsterkerne som når detektoren og også fører til signal ASE svingestøy. Den samlede ASE frembringer også ASE-ASE svingestøy og ASE haglstøy, men siden signaleffekten er mye større enn ASE effekten er disse støyledd små og kan settes ut av betraktning. ASE samles annerledes i foreliggende oppfinnelse enn i et typisk punkt-til-punkt kommunikasjonssystem med en enkel bane siden det er en separat bane gjennom hver sensor og de mange ASE bidrag summeres på returbussen. For eksempel, ved å betrakte bare ASE som frembringes av den første forsterker 336 på fordelings-bussen 344 på Fig. 11 blir en del av ASE koblet inn i den første sensor og resten forplanter seg ned gjennom fordelingsbussen 344. På grunn av den enhetlige overføring langs fordelingsbussen 344 blir en lik del av ASE koblet inn i alle andre sensorer. ASE som samles ved detektoren og som opprinnelig kom bare fra den første fordelingsbuss-forsterker 336 øker med antallet av trinn n i gruppen 331. Returbussforsterkerne 337 frembringer også spontane emisjon (ASE) signaler som føyes "incoherently" (uten interferenseffekter) til returbussen 346. Som omhandlet ovenfor kan disse forskjellige bidrag legges sammen for å gi den samlede effekt fra den forsterkede spontanemisjon (ASE) ved detektoren hvorfra støyverdien kan beregnes. Det forutsettes at koeffisientene Cd er like for alle fordelingsbusskoblere og likeledes at koeffisienten Cr er identiske for alle returbusskoblere, at forsterkningsgradene Gd er identiske for alle fordelingsbussforsterkere og at forsterkningsgraden Gr er identiske for alle returbuss-forsterkere og det forutsettes at likning 12 er tilfredsstilt helt ut, hvorved støyverdien (NF) ovenfor viste seg i likning 8 å være den samme for alle sensorer og lik:

der N = jxn er det samlede antall sensorer pr gruppe,./ er antall sensorer pr trinn, n er antall trinn pr gruppe og nsp er forsterkerinversjonsparameteren som nærmer seg 1 med økende pumpeeffekt. De tre NF ledd skyldes signalhaglstøy, signal-ASE svingestøy for ASE som oppstår i fordelingsbussforsterkeme og signal ASE svingestøy for ASE som oppstår i returbussforsterkerne. Andre støyledd som f.eks. ASE-ASE svingestøy, ASE haglstøy, detektorelektronisk støy, signallaser relativ styrke støy, fasestøy omformet til amplitudestøy via sensorubalanser etc. er som regel meget mindre og er ikke tatt med.

For et ønsket antall sensorer kan likning 8 benyttes til å velge en optimal kombinasjon av antall sensorer pr trinn og antall trinn for å minimere støyverdien. For å gjøre dette blir heltallsverdier for j og n med et produkt nær opptil eller lik den ønskede N substituert i likning 8 for å beregne støyverdien for hver kombinasjon. Kombinasjonen {/, n} som frembringer den laveste støyverdi blir da valgt som den optimale oppstilling. Fig. 12 viser fire kurver for NF i forhold til antall sensorer pr trinn j for grupper med forskjellige antall sensorer//under forutsetning av at Q = 80%, Cr = 50% Ls = 5 dB og Lx = 0.4 dB. Det blir senere vist at disse verdier for koplingsforholdene optimerer støyverdien med bibehold av et fornuftig pumpeeffektbehov. Verdien LK = 5 dB oppstår fra 3 dB tapet som skyldes den interferometriske sensor som er forspent ved kvadratur for maksimum følsomhet og fiberbøyetap som, som regel er 2 dB for noen få hundre meter av fiber lagt rundt en dor med en diameter på 3 cm eller mindre. Lx omfatter overskytende tap i en busskobler (som regel 0.3 dB) og innskuddstapene fra 2 spleiser mellom en Er-dopet fiber og en standard enkeltmodusfiber (som regel 0.05 B hver). Fig. 12 viser at for et fast antall sensorer pr trinn øker støyverdien når det samlede antall sensorer pr gruppe øker. Hver kurve oppviser et minimum ved et eller annet optimalt antall sensorer pr trinn. Minimum for hver kurve fremkommer når to signal ASE svingestøyledd (andre og tredje ledd) i likning 8 er like. Til venstre for minimum frembringer ASE som kom fra fordelingsbussen (det andre ledd) det dominerende støyledd ved mottakeren. Til høyre for minimum frembringes det dominerende støyledd av ASE som kommer fra returbussen (tredje ledd). Ved betraktning av likning 8 er det andre ledd proporsjonalt med jxnx( n+ l) som reduseres til Nx( n+ 1) og det tredje ledd er proporsjonalt med fxn som reduseres til Nxj. På venstre side av minimum er det tilstrekkelig signal som fører tilbake til detektoren, men det er for mange forsterkere. Ved detektoren er samlingen av ASE fra fordelingsbussforsterkeme proporsjonal med nx( n+ I). Reduksjon av antall forsterkere n vil i betydelig grad redusere den returnerte forsterkende spontane emisjon (ASE). På høyre side av minimum, når j øker, øker dempningen av et trinn som i økende grad demper både signal og ASE fra fordelingsbussen. I dette tilfellet er retursignalet ikke tilstrekkelig og ASE som frembringes av returbussforsterkerne frembringer signal ASE svingstøy som dominerer støyverdien. Beliggenheten av minimum kan evalueres ved å ta den deriverte med hensyn på j i likning 8 (det lille første ledd settes ut av betraktning) som gir:

For en gruppe med 60 sensorer (Fig. 12, nedre kurve) og en oppstilling som inneholder en sensor pr trinn og dermed 60 forsterkere pr buss blir det forutsett en forholdsvis høy støyverdi NF (35.7 dB). Hvis i stedet antallet av sensorer pr trinn økes til 2 (dvs. 30 forsterkere pr buss) bedres støyverdien NF til 33.1 dB. For N = 60 blir en minimum støyverdi NF på 31.3 dB oppnådd med j = 5 sensorer pr trinn. Hvis j igjen dobles til 10 og antallet forsterkere reduseres med halvdelen til 6 (slik at N fremdeles er lik 60) vil NF forverres (til 32.1 dB).

Minimumet for hver kurve på Fig. 12 er forholdsvis bredt, noe som i praksis fører til større fleksibilitet ved utformningen for å optimalisere andre parametere som f.eks. pumpeeffektbehovet som beskrevet nedenfor. For en gruppe med 320 sensorer (Fig. 12, øvre kurve)« 27 forsterkere pr buss. Hvis i stedet gruppen består av 18 sensorer pr trinn og 320/18 w 18 forsterkere pr buss vil støyverdien forverres ubetydelig med 0.25 dB. På den annen side vil pumpeeffektbehovet blir betydelig redusert siden antallet av forsterkere reduseres fra 27 til 18. Pumpeeffektbehovet kan dermed bli betydelig redusert fra det som gjelder for den optimale oppstilling ved å redusere antall trinn og øke antallet av sensorer pr trinn med bare en liten forverring i støyverdien.

Det optimale antall sensorer pr trinn ( f) og det optimale antall forsterkere pr buss ( n) i forhold til det samlede antall sensorer pr gruppe ( N) er vist på Fig. 13. De to kurver på

Fig. 13 er avledet fra det geometriske sted for minima på Fig. 12. Den nedre kurve er komplementet til den øvre kurve. Det betyr at for enhver verdi på abscissen /V på Fig. 13 er produktet av ordinatene for de to kurver lik N. Disse kurver gir optimale verdier for j og n for oppbygning av en gruppe med minimum støyverdi. For eksempel, hvis det er nødvendig med en gruppe på 200 sensorer vil den optimale oppstilling bestå av 10 sensorer pr trinn (nedre kurve) og 20 trinn (øvre kurve). Disse kurver er en funksjon av de særlige verdier som er valgt for Cd, Cr, Ls og Lx. Det skal påpekes at på Fig. 13, for de fleste tilfeller vil den optimale verdi ikke være et helt tall. Derfor må antall sensorer pr trinn velges slik at verdien blir et helt tall så nær som mulig til den optimale verdi og antallet av forsterkere (dvs. antall trinn) velges for å gi tilnærmet det ønskede antall sensorer.

Det andre sett parametere som må tas i betraktning for å optimere støyverdien er koplingsforholdet for busskobleme { Cd og Cr) og den tilsvarende forsterkningsgrad for forsterkerne { Gd og Gr). For å bestemme optimale koplingsforhold for minimum støyverdi og pumpebehov betraktes avhengigheten ved systemets støyverdi av fordelingsbusskoplingsforholdet { Cd) og returbusskoplingsforholdet { Cr) som vist på Fig. 14 for en gruppe med 200 sensorer. For å beregne avhengigheten av støyverdien (NF) av Cd (heltrukket kurve), ble Cr stilt på 50% og antall sensorer pr trinn j ble valgt for hver Cd for å minimere støyverdien. Dette optimale antall sensorer pr trinn er vist i den nedre del av Fig. 14 (den heltrukne linje passer jevnt til heltallsordinatene). For å beregne avhengigheten av NF på Cr (stiplet kurve) ble Cd stilt på 80% og j på 10 som er det optimale antall sensorer pr trinn for denne verdi av Q fra den nedre del av Fig. 14. Støyverdien forbedres betydelig med økende Q og dermed er det ønskelig at fordelings-bussforsterkerne har Gd så stor som mulig. For Q mindre enn 30% blir utilstrekkelig signaleffekt koblet inn i et trinn til å drive mer enn en eller to sensorer pr trinn (nedre heltrukne kurve). Med bare noen få sensorer pr trinn er det et stort antall forsterkere i gruppen og støyverdien NF er høy. Ved å øke Cd blir mer signaleffekt koblet inn i hvert trinn og dermed kan flere sensorer drives i hvert trinn (nedre kurve øker) og NF forbedres (øvre kurve synker). Det samlede pumpeeffektbehov kan reduseres ved å velge Cd « 80% og en forsterkningsgrad Gd * 7.4 dB. Forsterkere med betydelig større forsterkningsgrad ville ikke passe sammen med det fjernpumpeopplegg som her er omhandlet siden en enkel fjerntliggende pumpekilde ikke kan gi tilstrekkelig effekt for titalls forsterkere med større forsterkningsgrad. På den annen side er støyverdien forholdsvis konstant i forhold til Cr med Cr > 40% (stiplet kurve). Dette brede konstante området gjør det mulig å ta med betraktninger vedrørende behovet for pumpeeffekt ved valg av optimal Cr verdi. Når Cr øker, øker Gr tilsvarende og øker dermed behovet for pumpeeffekt. Derfor er Cr fortrinnsvis så liten som mulig uten at dette virker for sterkt inn på støyverdien (NF), noe som er årsaken til valg av Cr = 50% opp til dette punkt. Hvis i stedet Cr settes lik 25% for ytterligere å redusere behovet for pumpeeffekt forverres NF bare med 0.4 dB. Ved valg av Q = 80% og Cr = 50% fåes den optimale oppstilling med N= 200 sensorer ved minst mulig støyverdi ved n = 20 trinn med j = 10 sensorer hver.

Alle disse virkningene er tatt i betraktning på Fig. 15 der støyverdi i forhold til samlet antall sensorer er vist for den forsterkede gruppe (heltrukken kurve). For et gitt samlet antall sensorer AT ble det optimale antall sensorer pr trinn og trinn pr gruppe ( j, n) valgt for å gi minst mulig støyverdi som på Fig. 13 og de faste koplingsforhold på Cd = 80% og Gr = 50% ble benyttet. Støyverdien for en typisk gruppe av stigetypen (stiplet kurve) er vist for sammenligning. For å holde et signal/støyforhold (SNR) på 120 dB i en 1 Hz båndbredde med moderat inngangssignaleffekt (5 mW) må systemets støyverdi ligge under den stiplede horisontale linje på Fig. 15 (NF < 45 dB). Med denne optimerte oppstilling er det mulig å drive mer enn 300 sensorer på et enkelt par fibere, mens en passiv gruppe kan drive bare omtrent 20 sensorer.

Siden kurven på Fig. 15 ikke har krysset 120 dB SNR linjen blir det vanskeligere å drive flere sensorer ut over et samlet antall på omtrent 300 av to årsaker. Den første årsak er at tjenestesyklusen hvormed sensorene som blir utvalgsbehandlet blir for liten. Med et samlet antall på 300 sensorer er tjenestesyklusen tilnærmet 1/300 og dette har betydning på inngangssignalet. En gjennomsnittlig inngangssignalefFekt på 5 mW med dette tjenestesyklus krever en topp signalinngangseffekt på 1.5 W. Signaleffekten er begrenset omtrent til dette nivå av fiberes ulineære virkninger som f.eks. spontan Raman-spredning og spontan Brillouin-spredning. Den andre årsak er at det må tillates en margin for de små forskjeller i signal/støyforholdet langs gruppen. På grunn av de tilnærmelser som gjøres, særlig antagelsen om at alle forsterkere har samme forsterkningsgrad selv om pumpeeffekt forbrukes langs gruppen må det ventes noen få dB forskjeller i signal/støyforholdet for sensorene. Det gjennomsnittlige signal/støyforhold for alle sensorer er vist på Fig. 15. Det gjennomsnittlige signal/støyforhold (SNR) er fortrinnsvis noe høyere enn 120 dB slik at de "verste" sensorer fremdeles er bedre enn 120 dB.

Ved konstruksjon av en praktisk gruppe vil koblerne ha en iboende fordeling av koplingsforhold rundt deres nominelle verdi. Ved et bestemt trinn kan koplingsforholdet Cd og Cr ventes å være forskjellig, med en liten verdi, fra deres respektive nominelle verdier C/ og Cr°. Denne mistilpasning vil ha to virkninger, først på overføringen av signalet på hver buss og deretter på overføringen av signalet fra fordelingsbussen gjennom et trinn til returbussen.

Den første virkning kan unngås ved ganske enkelt å justere forsterkningsgraden for den tilhørende forsterker slik at de enhetlige forsterkningsbetingelser (likning 12a og 12b) fremdeles er tilfredsstilt. Hvis, på fordelingsbussen, en individuell kobler skiller seg med en faktor (1+8,/) fra sitt nominelle koplingsforhold, dvs. er lik C/(l+5rf), må forsterkningen i den tilstøtende forsterker justeres med en faktor (\+ Zd) fra den nominelle forsterkningsgrad G* for å opprettholde enhetlig overføring langs bussen. På samme måte ved returbussen, hvis en kobler skiller seg med en faktor på ( l+ S) fra sin nominelle verdi, dvs. Cr°(\+ 8r) må forsterkningen i den tilstøtende forsterker justeres med en faktor (l+er) fra sin nominelle forsterkningsgrad Gr°. Dermed blir fordelings- og returbussoverføringene (likningene 12a og 12b) til

Løsning av likningene 15 a og 15 b med hensyn på £ i leddene for <S gn- og et tilsvarende uttrykk for er. Det skal påpekes at Sog e har samme fortegn. Hvis en kopling kobler et lite ytterligere signal inn i et trinn må den tilhørende forsterker ha en noe høyere forsterkningsgrad for å kompensere for dette. Den andre virkning er at overføringen fra fordelingsbussen gjennom et trinn til returbussen (likning 13) blir Det skal påpekes at siden Sog e har samme fortegn blir Td. r' påvirket dobbelt så meget. Dette skyldes at hvis en koblers koplingsforhold er noe høyt vil dens tilhørende forsterker ha en noe høyere forsterkningsgrad og disse to virkninger summeres. Ved å velge par av koblere Cd og Cr som skiller seg fra sine nominelle verdier med motsatte fortegn kan imidlertid den virkelige overføring (likning 17) gjøres lik den nominelle overføring (likning 13). Betingelsene som må tilfredsstilles for å tilfredsstille denne likhet er for hvilken en tilnærmet løsning med hensyn på St uttrykt med Sd er:

Det skal påpekes at Sd og Sr har motsatt fortegn. Når likning 19 er tilfredsstilt vil forskjellen i overføring fra fordelingsbussen til trinnet utligne forskjellene i overføring fra trinnet til returbussen. Når hvert par av koblere tilfredsstiller likning 19 vil alle sensorer returnere den samme mengde signaleffekt og ha samme SNR.

Hvis imidlertid alle forsterkere ble laget for lange og dermed gir en liten netto forsterkningsgrad langs hver buss vil signaleffekten vokse noe og dermed komprimere forsterkningsgraden noe for forsterkerne. På den annen side hvis forsterkerne ble laget for korte og dermed gjr et lite nettotap langs hver buss vil signalnivået falle tilsvarende langs bussen. Med de lavere signalnivåer vil forsterkerne ha tilbøyelighet til å gi en noe høyere forsterkningsgrad og signalnivået ville ikke falle så hurtig. Systemet er på denne måte selvregulerende og signaleffekten vil ikke vokse uhindret.

I det følgende beskrives hvorledes pumpeeffektbehovet kan minimeres for storskala-fibersensorgrupper som benytter erbium-dopet fiberforsterkertelemetri i forhold til antallet forsterkere pr buss, antall sensorer pr trinn og forsterkningsgrad pr forsterker. For en stor gruppe blir pumpeeffektbehovet dominert av passive komponenttap langs gruppen. Flere fremgangsmåter (innbefattende alternativet gruppetopologi) er her beskrevet for å redusere effektbehovet med minimering av virkningen av denne reduksjon på signal/støyforholdet. Et par fiberbusser kan drive 300 høyfølsomme (1 uxad/VHz) sensorer med mindre enn 1 W med 1480 nm pumpeeffekt pr buss, et krav som er fornuftig og kan oppnås med laserdioder.

Den omfattende bruk av flberhydrofoner har skapt et behov for et effektivt multipleksopplegg. For å muliggjøre storskalamultipleksing er det ovenfor vist at tilføyelse av optiske forsterkere til stigestrukturer med fibersensorer kan forbedre dramatisk sensorgruppers ytelser og øke gruppestørrelsen til hundreder av sensorer pr fiberpar. Det er også blitt vist at denne foranstaltning er en praktisk løsning for multipleksing av store antall sensorer. Som fremholdt ovenfor kan en gruppe bli optimert for å gi ypperlig signal/støyforhold (SNR) samtidig med økning av antall sensorer pr fiberpar. Den øvrige beskrivelse gjelder pumpeeffektbehovet ved en forsterket gruppe. Det første formål er teoretisk å evaluere effektbehovet for en praktisk gruppe som inneholder hundreder av sensorer med demonstrasjon av at pumpeeffektforbruket for gruppen domineres av de passive tap i koblere og fibere og at for en stor gruppe er dette behov fornuftig og oppnåelig med tilgjengelige laserdioder. Det andre formål er å redusere effektbehovet, noe som fører til et kompromiss mellom pumpeeffekt og signal/støyforholdet (SNR) for signalene som returnerer fra sensorene. Flere fremgangsmåter innbefattende alternative gruppetopologjer er omhandlet, for å redusere effektbehovet med minimering av virkningen denne reduksjon har på signal/støyforholdet. Med denne løsning og dagens fiberkomponentteknologi kan et par fiberbusser drive 300 høyfølsomme (1 urad/VHz) sensorer med mindre enn 1 W med 1480 nm pumpeeffekt pr buss.

En fullstendig beskrivelse av virkemåten for disse tidsdomenemultipleksede (TDM) grupper som vist på Fig. 16 ble vist ovenfor. I tillegg kan det vises til f.eks. J. L. Brooks, B. Moslehi, B.Y. Kim og H.J. Shaw, "Time Domain Addressing of Remote Fiber Optic Interferometric Sensor Arrays," Journal of Lightwave Technology, nr. 5, juli 1987 s. 1014-1023. For utvalgsbehandling av alle sensorene blir en signalpuls (dvs. et optisk inngangssignal) innført i fordelingsbussen 400 for gruppen 402 og en stor brøkdel (som regel > 50%) av signalpulsen periodisk koblet inn i hvert trinn 404 i stigen ved bruk av en fiberkobler 406. Hvert trinn 404 driver en eller flere sensorer 408. Hver sensor 408 returnerer en signalpuls (dvs. et optisk retursignal) i sitt eget tidsvindu og alle pulser blir samlet på en returbuss 420 og overført til en mottaker (ikke vist) som utgangssignaler. Optiske forsterkere 422 og 424 som er fordelt langs fordelingsbussen 400 og returbussen 420 kompenserer for splittetap i koblerne 406 og kompenserer for eventuelle ytterligere tap ved bortledning. Dermed sørger forsterkerne 422 og 424 for enhetlig overføring langs hver buss, de gir like mengder signaleffekt til alle sensorer 408 og gruppen 402 returnerer like mengder signaleffekt fra alle sensorer til mottakeren. Gruppen 402 arbeider fortrinnsvis med en signalbølgelengde i 1550 nm område og bruker erbium-dopede firberforsterkere (EDFA). Fordi tapene pr forsterkertrinn er små

(3-8 dB) er lav forsterkningsgrad tilstrekkelig og forsterkerne 422 og 424 er ganske enkelt korte segmenter av erbium-dopet fiber (EDF) som er spleiset inn i bussene 400 og 420. Forsterkningen i hver av forsterkerne 422,424 blir stilt inn med lengden på det erbium-dopede fiber. Alle forsterkere på hver buss blir pumpet med pumpesignaler fra en enkel fjerntliggende kilde som f.eks. en laser. Koblerne 406 og 426 er fortrinnsvis bølgelengdedelende multipleksende (WDM) smeltede fiberkoblere utført slik at pumpen ikke blir koblet og bare ligger på bussene 400 og 420, mens signalet langs fordelingsbussen 400 er delvis koblet inn i et trinn 404, mens resten overføres til påfølende trinn. Alle forsterkere 422 og 424 er i en høy tilstand med pumpemetning slik at (1) deres støyverdi er lav og (2) pumpeeffekten som ikke forbrukes av en forsterker blir overført til påfølgende forsterkere. Pumpeeffektbehovet blir bestemt av kravet om at den siste forsterker i en kjede må motta tilstrekkelig pumpeeffekt. Fjernpumping av en enkel erbium-dopet fiberforsterker med høy forsterkning er demonstrert og virkeliggjort i et utlagt kommunikasjonssystem (se f.eks. E. Brandon, A. Gladston, A., og J.-P. Blondel, "Cyaman-Jamaica Fiber System: The Longest 2.5 Gbit/s Repeaterless Submarine Link Installed." OFC' 97. nr. 6,1997 OSA Technical Digest Series, paper TuLl). Som omhandlet nedenfor er det like praktisk å fjernpumpe en gruppe som består av titalls forsterkere med lav forsterkning med en moderat pumpeeffekt.

En viktig driftsbetingelse for en gruppe er at den skal være modulær, noe som har virkning både på utformning og pumpeeffektbehovet. Av praktiske årsaker som f.eks. håndtering og vedlikehold av en gruppe på et skip blir gruppen fortrinnsvis delt opp i lettvektssegmenter og koblet sammen slik at det blir mulig å bytte ut et defekt segment i stedet for hele gruppen i tilfelle et segment svikter. Alle segmenter innbefattende de forsterkere de inneholder er fortrinnsvis identiske slik at et standard segment kan byttes ut hvor som helst i gruppen. Forsterkere som har identiske lengder gir imidlertid ikke nøyaktig identiske forsterkninger fordi forsterkere på nedstrømsiden mottar mindre pumpeeffekt. Derfor er det tilbøyelighet til at forskjellige mengder signaleffekt returneres fra forskjellige sensorer og sensorene har svakt uensartede følsomheter. Flere fremgangsmåter for utligning av følsomhetene ved alle sensorer er beskrevet nedenfor. For å beregne pumpeeffektbehovet for en komplett forsterket gruppe som f.eks. den som er vist på Fig. 16 må effektforbruket for et enkelt forsterkertrinn først betraktes. Fig. 17 viser en del av en typisk forsterket gruppe omfattende ett trinn 440, en fordelingsforsterker 442 og en fiberkobler 446 på fordelingsbussen 450 samt en returforsterker 444 og en fiberkobler 448 på returbussen 452. Lx angir innskuddstapet ved spleisen mellom ett erbium-dopet fiber (EDF) og enkeltmodusfiberet (SMF). Le angir bakgrunnsstøyen for det erbium-dopede fiber, i/angir overføringstapet for enkeltmodusfiberet (SMF). Lc angir innføringstapet for kobleren 446. All parametere blir vurdert ved pumpe-bølgelengden. Lengden på de erbium-dopede fibere på fordelingsbussen 450 er stilt inn for å gi en forsterkning Gd som nøyaktig utligner for påfølgende signaltap før den neste forsterker, nemlig Gd = l/ fLx 2Lc ( J- Cd) Lf1, der Cd er fordelingsbussens koplingsforhold og de merkede parametere blir evaluert ved signalbølgelengden. Et tilsvarende forhold gjelder for returbussforsterkeren 444 med forsterkning Gr med unntak av at kobleren 448 har et annet koplingsforhold Cr.

Avhengigheten av forsterkningsgraden av pumpeeffekten er vist på Fig. 18 for forskjellige inngangssignaleffekter. Disse kurver ble oppnådd med en datasimulering av en enkel forsterker utført med et erbium-dopet fiber som er typisk for erbium-dopede fiberforsterkere på kommunikasjonsområdet. Det simulerte fiber har en kjerneradius på 1.4 um, en nummerisk åpning (NA) på 0.28, en Er2C>3 konsentrasjon på 50 mol ppm og en lengde på 3.5 m. En signalbølgelengde på 1536 nm og pumpebølgelengde på 1480 nm ble benyttet. De inngangssignaleffekter som er vist på Fig. 18 omfatter interesseområdet for disse systemer. Forsterkeren har en terskelinngangspumpeeffekt på Pp =1.5 mW (G = 0 dB) og den gir en liten 6.1 dB signalforsterkning for en stor inngangspumpeeffekt. Den øvre grense for pumpeeffekten (1 W) er bestemt av praktiske betraktninger innbefattende omkostningene for pumpelasere og ulineære virkninger som påtreffes ved overføring av store effekter over flere km med fibertilførselsledere og busser. Tilførselsifberledeme er som regel 1 til 10 km lange og har som regel et overføringstap på 0.3 dB/km ved 1480 nm og 1.5 dB/km ved 980 nm. Det er derfor kritisk å benytte en 1480 nm pumpekilde for fjernpumping slik at en betydelig del av pumpeeffekten i virkeligheten når frem til forsterkerne.

Med en høyeffektspumpe ved 1480 nm og et signal nær 1550 nm som forplanter seg i samme tilførselsifberleder vil signalet bli utsatt for Raman-forsterkning. I tilførselsfiber-lederen til fordelingsbussen forplanter pumpeeffekten og signalet seg sammen og denne forsterkning ville bli meget støyende. Derfor blir det fortrinnsvis benyttet atskilte tilførselsflberledere. På den annen side, i tilførselslederfiberet til returbussen forplanter pumpeeffekten og signalet seg mot hverandre og Raman-forsterkningen har lav støy. Dermed kan ett fiber benyttes som fiberleder for returbussen.

Ved utformning av en gruppe må den gjennomsnittlige signaleffekt på hver buss bestemmes så vel som pumpeeffektbehovet for hver buss og den endring som kan godtas i forsterkning over alle forsterkerne når pumpeeffekten forbrukes langs gruppen. Som omhandlet nedenfor er et pumpetap på omtrent 0.5 dB pr trinn et fornuftig anslag. Som omhandlet ovenfor er en gruppe med omtrent 20 trinn optimal. Dermed blir, som et første anslag, et totalt pumpetap på 10 dB fornuftig, dvs. at pumpeeffekten avtar langs gruppen fra 1 W til 100 mW. For lave signaleffekter (<1 mW) avtar forsterkningsgraden i forsterkerne med mindre enn 0.5 dB over dette pumpeeffektområdet (se Fig. 18). Når gjennomsnittlig signaleffekt økes øker denne forskjell i forsterkning og når 2 dB for et signal på 10 mW. Når inngangspumpeeffekten øker, med et konstant pumpeeffektbehov avtar forskjellen i forsterkningsgrad. Med en oppregning som den som er gitt på Fig. 18 er det mulig å bestemme den minste inngangspumpeeffekt som er nødvendig for å holde endringen i forsterkning over alle forsterkere under en ønsket grense.

En mer nøyaktig definisjon av pumpeeffektbehovet for et enkelt forsterkertrinn blir nu omhandlet. Tapmekanismene som virker ved pumpebølgelengden, omhandlet i tilknytning til Fig. 17, innbefatter absorpsjon av pumpeeffekt ( Pab^ av forsterkerens erbium-ioner, innskuddstapet for kobleren, innskuddstapet for de to spleiser og overføringstapene for EDF og bussfiberet. Ved sterk metning vil den mengde pumpeeffekt som driver et gitt forsterkertrinn Pu, være knyttet til pumpeeffekten Pim som sendes inn i dette trinn med uttrykket:

Denne utgående pumpeeffekt benyttes som inngangspumpeeffekten for den påfølgende forsterker.

Den pumpeeffekt som ledes vekk ( Pin„ - Put) i et enkelt trinn er vist på Fig. 19. Disse kurver fremkom ved datasimuleringer av den samme forsterker som er omhandlet ovenfor. Hver av mekanismene for pumpeeffekttap kan betraktes enkeltvis der det begynner med den effekt som absorberes av forsterkere for omforming til signaleffekt. For et inngangssignal med gjennomsnittlig Ps, vil EDFA legge til en gjennomsnittseffekt til signalet på ( G- 1). PS, og forbruke en pumpeeffektmengde som er lik ( Xs/ Xp)( G- l). Ps, der Xs er signalbølgelengde og kp er pumpebølgelengden. Denne omformning er uavhengig av inngangspumpeeffekten under forutsetning av at inngangspumpeeffekten Pp er meget større enn både Pp' h og Ps, slik at den absorberte pumpeeffekt er konstant for Pp som er større enn tilnærmet 100 mW (se Fig. 18). Hver forsterker frembringer også en forsterket spontan emisjon (ASE) og forsterker-ASE som fremkommer i andre forsterkere. Isolatorer som ville sperre ASE for å forplante seg i en retning motsatt signalet blir fortrinnsvis ikke benyttet fordi de frembrakte ASE effektnivåer kan tåles selv med dusin av forsterkere og også på grunn av ytterligere omkostninger. Derfor forplanter ASE seg i begge retninger gjennom hele gruppen. En individuell forsterker legger til 2-3 uW med ny ASE effekt til den innfallende ASE i begge retninger og forsterker den totale forsterkede spontane emisjon (ASE). Langs hver buss samles ASE effekten lineært med antallet forsterkere, mens pumpeeffekten omdannet til ASE effekt øker med kvadratet av antallet forsterkere. I pumpeeffektbehovet blir som regel mindre enn noen få mW med pumpeeffekt omformet til forsterket spontan emisjonseffekt i hele gruppen og kan derfor settes ut av betraktning.

Med nåværende teknologi ( Lc = 0.3 dB for 1480/1550 nm WDM fiberkobler) er det

største bortledningstap for pumpeeffekten i VDM koblerinnskuddstapet som vist på Fig. 19. De små koblertap dominerer den store EDF absorpsjon fordi Pabs er uavhengig av Pp når Pp er meget stor, mens den bortledede effekt på grunn av Lc er proporsjonal med Pp. Koblertapet søker å være omvendt knyttet til atskillelsen av de to multipleksede bølgelengder slik at med forholdsvis små forskjeller mellom pumpebølgelengde og signalbølgelengde er det en utfordring å redusere Lc betydelig. Dette er det mest kritiske ledd å minimere. En måte å gjøre dette på er å redusere antallet av koplinger på hver buss, dvs. maksimere antallet av sensorer pr trinn ( j). Når j øker vil imidlertid det splittetap signalet utsettes for i hvert trinn øke med en faktor på f (to stjemekoblere pr trinn, se Fig. 16). Det må derfor finnes et kompromiss mellom koblerinnskuddstap for pumpen på bussen og splittetapene for signalet på et trinn.

Det nest største bortledende pumpetap oppstår ved to spleiser mellom det erbium-dopede fiber (EDF) og bussfiberet. Slike spleiser har tilbøyelighet til å frembringe større innskuddstap enn enkeltmodusfiber-til-enkeltmodusfiberspleiser (SMF-til-SMF) fordi modusfeltdiameteren er mistilpasset mellom EDF og SMF. Bussfiberet er et standard enkeltmodusflber med lav NA (som regel 0.12) og et stort modusareal. Dette er kritisk for lave overføringstap (et godt SMF har et overføringstap på mindre enn 0.2 dB/km ved 1550 nm) og kritisk for minimering av ikke-lineære effekter. På den annen side, for EDF er en høyere NA (som regel større enn 0.20) fordelaktig for å senke forsterkerpumpens effektbehov. For tiden kan gode kommersielle smeltespleisere frembringe EDF-til-SMF spleiser med et typisk innskuddstap på Lx = 0.05 dB pr spleis ved 1550 nm sammenlignet med 0.02 dB for SMF-til-SMF spleiser. (Se f.eks. W. Zheng, O. Hultén, R. And Rylander, "Erbium-Doped Fiber Splicing and Splice Loss Estimation", Journal of Lightwave Technology, nr. 12, mars 1994,430-435). Pumpeeffekten som ledes bort ved to EDF-til-SMF spleiser (0.05 dB hver) er vist på

Fig. 19.

Den tredje mekanisme for pumpeeffekttap er fiberoverføringstap. Dette har tilbøyelighet til å øke eksponentielt med fiberets nummeriske åpning (NA). (Se f.eks. L. B. Jeunhomme, Single- Mode Fiber Optics. 2nd ed., Marcel Dekker, New York, 1990, s. 101). Dermed har bakgrunnstapet pr km tilbøyelighet til å bli større for et erbium-dopet fiber (EDF) enn for et standard enkeltmodusfiber (SMF). Et EDF med en høy NA (større enn 0.30) har som regel en bakgrunnsstøy som er større enn 3.5 dB/km ved 1550 nm sammenlignet med under 0.5 dB/km for et EDF med en lav NA (mindre enn 0.17). Bussfiberet mellom forsterkere bidrar også til overføringstapet. En sensorgruppe har som regel 2-4 m med fiber mellom sensorene og 8-16 sensorer pr trinn eller 0.01 dB. Den nedre kurve på Fig. 19 ble tegnet opp for et bakgrunnstap på Le = 0.01 dB (3 dB/km tap og 3.5 m med erbium-dopet fiber (EDF) og Lf= 0.01 dB. Det er her ikke forutsatt noe tilførselsfiber. Når et tilførselsfiber imidlertid benyttes er dette som regel 1-10 km langt og da må overføringstapene for tilførselsfiberet tas med.

Så langt er det antatt en konstant gjennomsnittlig signaleffekt på 5 mW. Fig. 20 viser virkningen av signaleffekt på den totale bortledede pumpeeffekt. Kurvene er tegnet opp for hver av fire inngangssignaleffekter. Hver kurve viser den totale pumpeeffekt som blir ledet bort i forhold til inngangspumpeeffekt for et enkelt forsterkertrinn. For sammenligning viser den stiplede kurve den pumpeeffekt som ledes bort bare med kobleren. Over 100 mW med inngangspumpeeffekt er de heltrukne kurver parallelle, noe som viser at EDFA effektomformningen er uavhengig av pumpeeffekt over et bestemt nivå og er proporsjonal med inngangssignaleffekten som omhandlet tidligere. For en høyere gjennomsnittlig signaleffekt (10 mW) og lav inngangspumpeeffekt (< 300 mW) viser en sammenligning mellom 10 mW kurven og 0 mW kurven at absorpsjonen av pumpeeffekten i forsterkerne er større enn summen av alle andre tapsledd. For ytterligere å redusere pumpeeffektbehovet kan den gjennomsnittlige signaleffekt reduseres, men dette vil direkte redusere signal/støyforholdet (SNR).

Den siste tapsmekanisme som skal omhandles er knyttet til koplingsinnretninger. Som omhandlet ovenfor er gruppen fortrinnsvis delt opp i segmenter som er koblet sammen og koplingsinnretningene er fortrinnsvis robuste i de harde omgivelser for typiske anvendelser (f.eks. til havs). Pumpeeffektbehovet bør være ufølsomt overfor betydelige og variable tap i koplingsinnretningene. En god koplingsinnretning kan ha et innskuddstap så lavt som 0.2 dB og en gruppe kan omfatte opptil 50 segmenter. Dette tilføyer et tap i pumpebehovet på opptil 10 dB pr gruppe og øker signaltapmengden med opptil 20 dB (rundtripp).

Når det gjelder pumpeeffektbehovet for en enkeltforsterker kan det bygges opp et behov for en stor gruppe forsterkere der alle av disse pumpes fra en enkeltkilde ved den forreste ende. Fra likning 20 er pumpeeffekten Pk som faller inn på den fc-te forsterker knyttet til pumpeeffekten Pm som sendes fra den foregående ((£-7)te) forsterker:

der Pabs er en funksjon av innkommende signaleffekt på den k- te forsterker. Inngangspumpeeffekten Pi må være stor nok til at pumpeeffekten P„ som når den siste forsterker er større enn en eller annen minimumverdi. Den sistnevnte er stilt for å sikre at den siste forsterker får tilstrekkelig forsterkning, dvs. den må være meget større enn både Pp og Ps : Når P„øker vil alle forsterkere motta mer pumpeeffekt og forsterkningen over alle forsterkerne er mer ensartet (se Fig. 18) og dermed blir de returnerte signaleffekter mer ensartet over gruppen. Derfor stilles P„ for å holde variasjonene i forsterkning blant alle forsterkerne under et ønsket nivå. På sin side bestemmer P„ den pumpeeffekt som må tilføres den første forsterker Pj. I denne analyse stilles P„ lik 100 mW, noe som er mange ganger større enn enten forsterkerens terskeleffekt eller den gjennomsnittlige signaleffekt. Fig. 21 viser utviklingen av pumpeeffekten som kommer inn på hver forsterker langs en gruppe på 13 forsterkere ved bruk av likning 21 og tapmengdene som er gitt i detalj på Fig. 19. Parametrene som er benyttet på Fig. 21 er inngangssignaleffekt på 5 mW, en signalbølgelengde på 1536 nm, en pumpebølgelengde på 1480 nm, 15 sensorer pr trinn, et 5-dB innskuddstap pr sensor, et fordelingsbusskoplingsforhold Qpå 80% og et returbusskoplingsforhold Cr på 50%. De to siste verdier ble valgt for å minimere støyverdien som omhandlet ovenfor. Begge kurver er dominert av koblerinnskuddstapet. Den nødvendige inngangspumpeeffekt er 1100 mW for fordelingsbussen og 450 mW

for returbussen (se Fig. 21). Forskjellen i disse to behov er den større omformning av pumpeeffekt til signaleffekt på fordelingsbussen på grunn av den store gjennomsnittlige signaleffekt og det større koplingsforhold på denne buss. Den kombinerte inngangspumpeeffekt som er nødvendig er omtrent 1.5 W, noe som er en hensiktsmessig verdi som er lett tilgjengelig fra kledningspumpede kaskadekoblede Raman-fiberlasere. (Se f.eks. S.G. Grubb, T. Strasser, W.Y. Cheung, W.A. Reed, V. Mizrahi, T. Erdogan, P.J. Lemaire, A.M. Vengsarkar, D.J. DiGiovanni, D.W. Peckham og B.H. Rockney, "High-Power 1.48 um Cascaded Råman Laser in Germanosilicate Fibers, Technical Digest O<p>tical Amplifiers and Their applications. 1995. s. 197-199).

Fig. 22 viser signal/støyforholdet (SNR) i forhold til sensorantallet for den gruppe som er modellert på Fig. 21. SNR for alle sensorer er større enn 120 dB. Sensorene ved hver ende av gruppen returnerer den minste mengde signaleffekt og sensorene på midten returnerer den største. På denne måte får sensorene ved hver ende det laveste signal/støyforhold og sensorene på midten får det høyeste SNR. Forskjellen i SNR mellom den beste og den verste sensor er bare 4.3 dB som skulle være tilstrekkelig for de fleste anvendelser. Imidlertid er en rekke måter for å få til større ensartethet når det gjelder SNR over gruppen omhandlet i det følgende. Hvis bruk av en større pumpeeffekt ikke er praktisk for å minimere variasjonen i forsterkning over gruppen må en eller annen ytterligere fremgangsmåte benyttes. En slik fremgangsmåte er å tilføye et fiber-Bragg-gitter ved den fjerne ende av hver buss for å reflektere pumpeeffekt (Se Fig. 23b som er omhandlet nedenfor). Dette vil resirkulere pumpeeffekt som ikke forbrukes av den siste forsterker på hver buss og øke mengden av pumpeeffekt som innføres på de siste få forsterkere. Selv om dette er et effektivt og økonomisk opplegg byr det bare på en liten forbedring når det gjelder å utjevne SNR for alle sensorer.

En annen fremgangsmåte er å benytte noe lenger forsterkerlengder for påhverandre følgende erbium-dopede firberforsterkere. Lengden på hver forsterker blir justert for å gi riktig forsterkning ifølge den på forhånd bestemte inngående pumpeeffekt. Denne fremgangsmåte gir den laveste variasjon i forsterkning i forhold til pumpeeffekt over gruppen og den største ensartethet når det gjelder følsomhet pr sensor over gruppen, men på bekostning av full moduloppbygning som går tapt.

En tredje fremgangsmåte er å bruke den fremmatningstopologi som er vist på Fig. 23a.

(Se f.eks. K. P. Jackson, og H. J. Shaw, "Fiber-Optic Delay-Line Signal Processing", i Optical Signal Processing. J. L. Horner, ed, Academic Press, San Diego, CA, 1987, s. 431-476 og A.D. Kersey, A. Dandridge, A.R. Davis, C.K. Kirdendall, M. J. Marrone og

D.G. Gross, "64-Element Time-Division Multiplexed Interferometric Sensor Array med EDFA Telemetry" OFC'96, nr. 2,1996 OSA Technical Digest Series, paper ThP5.) Den primære forskjell fra Fig. 16 er at det optimale inngangssignal sendes inn ved den bakre ende av fordelingsbussen 460 og forplanter seg forover mot fronten av gruppen 462

både på fordelingsbussen 460 og en returbuss 464 der de to busser er forbundet med hverandre med trinn 468. Hvis det er n forsterkere 466 pr buss vil et signal som føres gjennom trinn k forplante seg gjennom k forsterkere på fordelingsbussen 460 og ( n- k+ J) forsterkere på returbussen 464, dvs. et samlet antall på ( n+ 1) forsterkere. På denne måten vil alle signaler bevege seg gjennom det samme antall forsterkere. I den tidligere topologi som her er betegnet som tilbakematende (Fig. 16) vil signaler fra de første trinnsensorer bevege seg bare gjennom to forsterkere mens signaler fra de siste trinnsensorer beveger seg gjennom alle forsterkere på begge busser (dvs. 2n forsterkere). For begge gruppe-topologier samles den forsterkede spontane emisjon (ASE) med samme takt og dermed er likning 13 gyldig også for den fremmat ende topologi. For begge topologier blir pumpeeffekt for forsterkerne tilført fra den forreste ende slik at forsterkerne forrest mottar den største mengde pumpeeffekt og forsterkerne lenger bak mottar den minste mengde pumpeeffekt. Pumpeeffekten forbrukes langs hver buss på samme måte og forsterkningen i hver forsterker varierer med pumpeeffekten på samme måte. For utførelse med tilbakematning har imidlertid variasjonene i forsterkernes forsterkningsgrader tilbøyelighet til å samles og den returnerte signaleffekt fra hver sensor er ikke den samme. I motsetning til dette vil ved matning fremover enhver liten netto forsterkning eller små nettotap pr trinn søke å utligne hverandre slik at den samlede forsterkning eller det samlede tap for enhver optisk bane i den optiske sensor i høy grad blir redusert. Dermed får den effekt som returneres fra alle sensorer tilbøyelighet til å bli ensartet over gruppen.

Gruppen som mater fremover har to ulemper. Den første er at et ytterligere bussfiber er nødvendig for å bringe signalet til den fjerne ende av gruppen. Dermed finnes det tre bussfibere pr gruppe og enhver koplingsinnretning krever en ytterligere fiberkopling, noe som øker størrelse, vekt og omkostninger. Den andre ulempe er at forsinkelseslinjer 470 må tilføyes en buss som vist på Fig. 23a. For begge topologier er den maksimale tid som er tilgjengelig for sperring av en sensor lik forskjellen i banelengde for det signal som beveger seg gjennom en sensor sammenlignet med den tilstøtende sensor. Ved den tilbakematende topologi (Fig. 16) skaper avstanden mellom sensorene en iboende baneforskjell. I topologien med matning fremover (Fig. 23a) finnes det ingen iboende baneforskjell mellom sensorene. Derfor må forsinkelsesfiber tilføyes den ene (og bare den ene) buss for å skape en banelengdeforskjell og danne et tidsvindu for utvalgsbehandling av en sensor (som vist på returbussen i Fig. 23a). Hvis f.eks. et tidsvindu på 14.6 ns er nødvendig må 3 m ytterligere fiber tilføyes. Begge ulemper resulterer i at signalet får en lenger banelengde slik at i/er større og ulineære virkninger også er større. Fig. 23b viser en sensorgruppe som svarer til Fig. 23a ved at alle signaler beveger seg gjennom det samme antall forsterkere. Pumpeeffekt for både fordelingsbussen 490 og returbussen 492 så vel som et inngangssignal innføres foran på anordningen. I tillegg er fiber-Bragg-gitteret 480 innbefattet for å reflektere ubenyttet effekt ved enden av hver buss 490 og 492. Fig. 24 viser signal/støyforholdet (SNR) i forhold til sensorantallet i gruppen på Fig. 23a, men innbefatter 90% pumpereflektorer ved den fjerne ende av hver buss f.eks. som de som er vist på Fig. 23b og den bruker de samme gruppeparametere som på Fig. 21 og 22 med unntak av betydelig mindre pumpeeffekt, mer bestemt Pp = 700 mW (fordelings-buss) og Pp = 300 mW (returbuss). SNR for alle sensorer er større enn 120 dB. Alle sensorer tilbakefører nesten identiske mengder signaleffekt og gir dermed så godt som identiske signal/støyforhold. Forskjellen i signal/støyforhold mellom de beste og verste sensorer er bare 3.1 dB, noe som er mindre enn forskjellen i signal/støyforholdet på Fig. 22.

En fjerde fremgangsmåte for å redusere forsterkningen pr forsterker langs gruppen er toveis pumping som vist på Fig. 25 for topologien med fremmating. Gruppen omfatter en fordelingsbuss 490 med et flertall fordelingsbussforsterke 492 og en returbuss 491 med et flertall returbussforsterkere 493. Et antall trinn 494 er anbrakt mellom de to busser 490,491. Et tilsvarende toveis pumpeopplegg kan virkeliggjøres med topologi som har tilbakemating. Med pumping fra begge ender av fordelingsbussen 490 får forsterkerne 492 med både den nærmeste ende og den fjerneste ende høyest pumpeeffekt, mens forsterkerne på midten får minst pumpeeffekt. Videre, er forskjellen i pumpeeffekt mellom endeforsterkerne og forsterkerne på midten meget lavere enn i enveispumpede grupper (Fig. 16 og 23a) og forskjellen i forsterkning pr forsterker mellom ende-forsterkere og forsterkere på midten blir dermed redusert. Denne fremgangsmåte har også tilbøyelighet til å redusere det samlede pumpeeffektbehov. Omkostningene ved toveis pumping er en ytterligere bussfiber for å overføre pumpeeffekt til den fjerne ende av gruppen og en 3 dB kobler for å splitte pumpeeffekten til begge busser, dvs. tre bussfibere pr gruppe for tilbakemating og fire bussfibere for fremmating. I hver koplingsinnretning finnes det en ytterligere fiberkopling som igjen øker størrelse, vekt og pris. Dessuten har pumpen lenger bane slik at overføringstap og ulineære virkninger for pumpen blir større.

For å optimere ytelsene ved disse grupper blir pumpeeffektbehovet fortrinnsvis gjort minst mulig, mens signal/støyforholdet for alle sensorer gjøres størst mulig. Hovedparametrene som styrer både effektbehovet og støyverdien er koplingsforholdene Cd og Cr og antallet av sensorer pr trinn j eller dets komplement som er antallet av forsterkere pr buss eller trinn pr gruppe n som forklart ovenfor. Fig. 26 viser den beregnede avhengighet for støyverdien (NF) og behovet for inngangspumpeeffekt ( Pp) ved Cd. De fire par kurver gjengir forskjellige kombinasjoner av n og j slik at det samlede antall sensorer blir tilnærmet konstant (N « 200). Returbusskoplingsforholdet Cr ble stilt på 50% som nesten gjør NF minst mulig som nevnt ovenfor. Når Cd øker vil NF avta jevnt, mens Pp øker. Denne økning er hurtig når Cd er stor. For j = 10 og n = 20 som er den optimale oppstilling som er angitt ovenfor er støyverdien bedre, men pumpeeffekten er høyere enn i alle andre tilfeller. Omvendt, for j = 20 og n = 10 blir støyverdien høyere, men pumpeeffekten lavere enn i alle andre tilfeller. For en fast C* vil således ved økning av antall sensorer pr trinn og reduksjon av antallet forsterkere pr buss pumpeeffektbehovet forbedres på bekostning av en forringet støyverdi. Ved å øke Cd noe er det mulig å kompensere for økning i støyverdi og fremdeles redusere pumpeeffektbehovet.

Fig. 26 viser at for en 200-sensorgruppe med den optimale oppstilling som er gjengitt ovenfor ( j = 10 og n = 20) vil støyverdien (NF) være 39 dB for Q = 80%, men fordelingsbussens behov for pumpeeffekt er større enn 2 W. I motsetning til dette, med j = 15 og n = 13 øker NF med 1 dB, men fordelingsbussens pumpeeffektbehov faller til 950 mW, noe som er en fornuftig mengde og er tilgjengelig fra kledningspumpede fiberlasere. Hvis Q økes til 85% blir forringelsen av NF eliminert, mens forsterkningen Gd må økes med 1.25 dB og pumpeeffektbehovet blir 1.2 W. Når antallet sensorer pr trinn j økes utover det optimale som er omhandlet ovenfor ( j = 10 og n = 20) øker støyverdien (se Fig. 12) for fast Cd. Og når j øker avtar pumpeeffektbehovet for fast Cd. Minimum pumpeeffektbehov fåes med en forsterker pr buss ( n = 1 ogj = N), men støyverdien vokser rimelig høyt.

For ytterligere å bidra til sammenligning mellom støyverdi og pumpeeffektbehov viser

Fig. 27 støyverdi i forhold til behovet for pumpeeffekt. Disse kurver ble utledet direkte fra Fig. 26 der Q øker langs hver kurve og de forskjellige kurver gjelder samme kombinasjoner av j og n som er angitt ovenfor. Disse kurver viser at pumpeeffektbehovet fortsetter å avta når antallet av sensorer pr trinn øker. Dermed blir også antallet forsterkere pr buss redusert. Dessuten fortsetter støyverdien å avta når Cd øker (se Fig. 26) slik at forsterkningen for hver forsterker kan gjøres størst mulig. Pumpeeffektbehovet øker imidlertid hurtig for Q, siden større mengder pumpeeffekt blir omformet til signaleffekt. Med fjernpumpeopplegget er det således en grense for hvor stor Cd kan være. Hvis fjernpumping ikke er kritisk og hvis driftsbetingelsene ved ikke å ha noen elektriske forbindelser til gruppen kan dempes, kunne hver forsterker drives med sin egen pumpelaserdiode. På denne måte kunne hver forsterker ha større forsterkning enn det som er praktisk med fjempumpeopplegg og det ville kunne oppnås en lavere støyverdi.

I det andre sett kurver som er vist på Fig. 28 er støyverdi og Pp tegnet i forhold til Cr. De fire par kurver modellerer de samme kombinasjoner av n og j som Fig. 26, igjen med N w 200. For hver kurve er verdien på Cd valgt (fra Fig. 26) slik at NF = 40 dB for alle kurver når Cr = 50%. Svarende til fordelingsbussen øker også Pp når Cr øker. For j = 10 og n = 20 er pumpeeffekten verre enn i de andre tilfeller slik forholdet også var på Fig. 26. For j = 20 og n = 10 er pumpeeffekten lavere enn i de andre tilfeller, noe som også var tilfellet på Fig. 26. For j = 15 og n = 13 er pumpeeffektbehovet 400 mW, noe som er en meget fornuftig mengde.

Fig. 26 og 28 viser to interesseområder for hvorledes pumpeeffektbehovet oppstår. I det første området der koplingsforholdet er lavt er pumpeeffektbehovet forholdsvis konstant. De passive komponenttap ved pumpebølgelengden dominerer pumpeeffektbehovet, dvs. at tap som føres vekk forbruker betydelig mer pumpeeffekt enn erbium-ionene. I det andre området der koplingsforholdet er høyt øker pumpeeffektbehovet hurtig. Forbruket av pumpeeffekt i forsterkerne dominerer pumpebehovet når forsterkerne omdanner betydelige mengder pumpeeffekt til signaleffekt, noe som kompenserer for koblerne.

For å redusere effektbehovet må det gjøres et kompromiss mellom pumpeeffektbehovet og signal/støyforholdet. Ved å redusere antall forsterkere pr buss med omtrent 1/3 over de optimale oppstillinger som er omhandlet tidligere (/' =■ 10 og n = 20) kan pumpebehovet reduseres med mer enn 50%, noe som bringer dette ned til praktiske nivåer med bare svak økning av støyverdien (1.5 dB). Økning av signaleffekten som tilføres et trinn ved å øke fordelingsbussens koplingsforhold demper imidlertid stigningen i støyverdi og hever så vidt pumpeeffektbehovet. Et par fiberbusser kan dermed drive 300 høyfølsomme (1 urad/VHz) sensorer med omtrent 1 W pumpeeffekt. Oppfinnelsen er nå blitt beskrevet på grunnlag av dens mest generelle anvendelser. Fig. 29 viser en generisk sensorgruppe 500 for fjernbruk med forsterkere 501, 502 og sensorer 503. Den nære ende 504 (den del av systemet som ligger på land eller ombord på et skip) omfatter optiske kilder 505 og en mottaker 506. En fjern ende 507 (i vannet) omfatter sensorene 503 og forsterkerne 502. En tilførselsleder 508 kobler sammen den nære ende 504 og den fjerne ende 507.

Fig. 30 viser en fullskalahydrofongruppe 520 med 1000 sensorer 522 omfattende grupper 524 på 250 sensorer hver. Alle 1000 sensorer 522 drives med en 8-fiberkabel som kan være mindre enn 3 cm i diameter. Åtte pumpelasere 526 og fire signallasere 528 er nødvendige. Som et alternativ er det mulig å dele en signallaser mellom de fire sensorgrupper 524. Fire mottakere 530 benyttes, noe som betyr en betydelig besparelse i omkostninger, kostbar gulvplass og rom (f.eks. ombord på et skip) sammenlignet med de hundreder av mottakere som hører til et passivt system.

Claims (48)

1. Optisk sensorarkitektur innbefattende: et flertall sensorer (110) som er anordnet til å motta et optisk inngangssignal og til å gi som utgang forandrede optiske signaler som svar på en avfølt parameter, minst ett optisk fiber og et flertall koblere (140,142) som er anordnet til å fordele et optisk signal til hver sensor (110) og som er anordnet til å returnere et forandret optisk signal fra hver sensor (110), og et flertall optiske forsterkere (130,132) fordelt på valgte punkter langs lengden av det minst ene optiske fiber, karakterisert ved at hver optisk forsterker (130, 132) har individuelt valgt forsterkning og at hver kobler (140, 142) har individuelt valgt kobtingsforhold, hvor forsterkningene og koblingsforholdene er valgt for å optimalisere et støytall definert som et forhold mellom inngangssignalets signal/støyforhold og et signal/støyforhold for et optisk signal i en sensor (110) med et laveste signal/støyforhold.

2. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor det minst ene optiske fiber innbefatter et fordelingsfiber (100) som er anordnet til å forplante inngangssignalet til sensorene (110) og et returfiber (120) som er anordnet til å motta de forandrede optiske signalene fra sensorene (110), og hvor mangfoldet av forsterkere (130,132) innbefatter en første forsterkersamling (130) i fordelingsfiberet (130) og en andre forsterkersamling (132) i returfiberet (120).

3. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 2, hvor et koblingsforhold mellom hver sensor (110) og fordelingsfiberet (100) er mellom omtrent 0,2 og omtrent 0,4.

4. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 2, hvor en bølgelengdedelt multiplekser (140) er benyttet for å koble hver sensor (110) til fordelingsfiberet (100) og en bølgelengddelt multiplekser (142) er benyttet for å koble hver sensor (110) til returfiberet (120).

5. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor det minst ene optiske fiberet er anordnet til å forplante det optiske inngangssignalet til sensorene (110) i en første retning og til å forplante de forandrede optiske signalene fra sensorene (110) i en andre retning som er motsatt av den første retningen, og hvor mangfoldet av forsterkere (130,132) innbefatter en enkelt forsterkersamling i det minst ene optiske fiberet, hvilket mangfold av forsterkere (130, 132) er anordnet til å forsterke det optiske inngangssignalet som blir forplantet i det minst ene optiske fiberet i den første retningen og til å forsterke de forandrede optiske signalene som blir forplantet i det minst ene optiske fiberet i den andre retningen.

6. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor det minst ene optiske fiberet innbefatter en fordelingsbuss (100) som er anordnet til å motta og å fordele et optisk inngangssignal, hvilken fordelingsbuss (100) er anordnet til å forplante et fordelingsbusspumpesignal, en returbuss (120) anordnet til å motta et mangfold optiske retursignaler og til å levere de optiske retursignalene som utgangssignaler, hvilken returbuss (120) er anordnet til å forplante et returbusspumpesignal, og et mangfold av tverrtrinn koblet mellom fordelingsbussen (100) og returbussen (120), hvor hvert av tverrtrinnene innbefatter minst en sensor (110) som mottar en respektiv del av det optiske inngangssignalet og som genererer et av de optiske retursignalene, og hvor mangfoldet av optiske forsterkere innbefatter: et mangfold av optiske inngangsforsterkere (130) i fordelingsbussen (100) anordnet til å svare på fordelingsbusspumpesignalet, hvilke optiske inngangsforsterkere (130) er anordnet til å forsterke det optiske inngangssignalet og til å ha forsterkning som opprettholder det optiske inngangssignalet på et valgt signalnivå for hvert av tverrtrinnene, og et mangfold optiske utgangsforsterkere (132) i returbussen (120) anordnet til å svare på returbusspumpesignalet, hvilke optiske utgangsforsterkere (132) er anordnet til å forsterke retursignalene generert av sensorene i tverrtrinnene og til å ha forsterkninger som hovedsakelig utligner de optiske retursignalenes verdier.

7. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 6, hvor forsterkernes (130,132) forsterkninger er anordnet til å være større ved å bli pumpet av større pumpeenergi, og fordelingsbusspumpesignalet og returbusspumpesignalet er anordnet til å bli innmatet i respektive ender av fordelingsbussen (100) og returbussen (120), hvilket fordelingspumpesignal er anordnet til å bevirke forskjellig pumping av de optiske inngangsforsterkerne (130) og forskjeller i de optiske inngangsforsterkernes (130) respektive forsterkninger, hvilket returbusspumpesignal er anordnet til å bevirke forskjellig pumping av de optiske utgangsforsterkeme (132) og forskjeller i de optiske utgangsforsterkernes (132) respektive forsterkninger, hvilke optiske inngangsforsterkere (130), optiske utgangsforsterkere (132) og tverrtrinnene er anbrakt slik at arkitekturen definerer et mangfold av optiske veier som innbefatter forskjellige kombinasjoner av de optiske inngangsforsterkerne (130) og de optiske utgangsforsterkeme (132) som har respektive kumulative forsterkninger, og hvilke optiske inngangsforsterkere (130) og optiske utgangsforsterkere (132) har forsterkninger valgt slik at forskjellene i de kumulative forsterkningene mellom de optiske veiene blir redusert, hvorved arkitekturens støytall reduseres.

8. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 7, hvor forsterkerne (130,132) er posisjonert langs bussene (100,120) slik at de optiske veiene innbefatter et likt antall forsterkere.

9. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 8, anordnet slik at det optiske inngangssignalet blir innført i fordelingsbussen (100) på en ende som er den motsatte av fordelingsbussens (100) respektive ende, og hvor de optiske retursignalene har sin utgang på returbussens (120) respektive ende.

10. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 8, anordnet slik at det optiske inngangssignalet blir innført i fordelingsbussens (100) respektive ende, og hvor de optiske retursignalene og returbusspumpesignalet har sin utgang på en ende som er motsatt av returbussens (120) respektive ende.

11. Optiske sensorarkitektur som angitt i krav 7, hvor forsterkernes (130,132) respektive forsterkninger er justert til å kompensere for tap i den optiske sensorarkitekturen for å opprettholde en tilnærmet enhetstransmisjon langs bussene (100,120).

12. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 7, anordnet slik at minst et av fordelingsbusspumpesignalene og returbusspumpesignalet føres inn i sin respektive buss gjennom mer enn en ende.

13. Optiske sensorarkitektur som angitt i krav 7, hvor multiple sensorer er anordnet for multipleksing og tverrtrinnene ved bruk av stjemekoblere (150,152).

14. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 7, som videre innbefatter et mangfold av forsinkelseslinjer anordnet langs minst en av bussene (100,120) for å tillate oppløsning og deteksjon av hvert av de optiske retursignalene.

15. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 7, hvor minst en av bussene (100,120) videre innbefatter et Bragg-fibergitter på en ende for å reflektere ubrukt effekt.

16. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor minst ett optisk fiber innbefatter: en fordelingsbuss (100) og en returbuss (120) hvorav begge er anordnet til å forplante pumpeenergi, hvilken pumpeenergi er anordnet til å tilveiebringe forsterkning i optiske forsterkere (130,132) som er posisjonert langs fordelingsbussen og returbussen (100,120), og et mangfold av tverrtrinn forbundet ved hjelp av et mangfold koblere (140,142) til fordelings- og returbussene (100,120), hvor hvert av tverrtrinnene innbefatter minst en i mangfoldet av sensorer (110) som er anordnet til å motta en respektiv del av et optisk inngangssignal innsendt i fordelingsbussen (100), idet sensorene (110) er anordnet til å generere respektive optiske retursignaler som går inn i returbussen (120), hvor tverrtrinnantallet og sensorantallet (110) i hvert tverrtrinn er anordnet til å tilveiebringe et samlet sensorantall som er tilnærmet lik et ønsket sensorantall, og hvor tverrtrinnantallet og antall sensorer i tverrtrinnene er valgt slik at den optiske sensorarkitekturens støytall blir redusert.

17. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 16, hvor tverrtrinnantallet og antall sensorer i tverrtrinnene er anordnet til å redusere, men ikke minimere, støytallet, for å redusere behovene for fordelings- og returpumpeeffekten.

18. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 16, hvor fraksjonen av det optiske inngangssignalet som blir koblet inn i tverrtrinnene av koblerne (140,142) i fordelingen er anordnet til å redusere den optiske sensorarkitekturens støytall for bestemte nivåer av optisk inngangssignal og fordelings- og returpumpesignaler.

19. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 16, hvor sensorantallet for tverrtrinnene er likt for hvert tverrtrinn.

20. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor det minst ene optiske fiberet innbefatter: en fordelingsbuss (100) og en returbuss (120) som begge er anordnet til å forplante pumpeenergi, hvilken pumpeenergi er anordnet til å tilveiebringe forsterkning i optiske forsterkere (130,132) posisjonert langs fordelings- og returbussene (100,120), og et mangfold tverrtrinn forbundet med koblermangfoldet (140,142) til fordelings-og returbussene (100,120), hvor hvert av tverrtrinnene innbefatter minst en i mangfoldet av sensorer (110) som mottar en respektiv del av et optisk inngangssignal innsendt i fordelingsbussen (100), hvilke sensorer (110) er anordnet til å generere respektive optiske retursignaler som går inn i returbussen (120), hvilke respektive fraksjoner av det optiske inngangssignalet som kobles inn i tverrtrinnene av koblerne (140) i fordelingsbussen (100) og de respektive fraksjonene av de optiske retursignalene som kobles inn i returbussen (120) av koblerne (142) i returbussen (120) har blitt valgt for å redusere den optiske sensorarkitekturens støytall for et samlet sensorantall som tilnærmet er lik et ønsket sensortotalantall.

21. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 20, hvor tverrtrinnantallet og sensorantallet i hvert tverrtrinn har blitt valgt til å redusere den optiske sensorarkitekturens støytall.

22. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 21, hvor sensorantallet i tverrtrinnene er det samme.

23. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 21, hvor tverrtrinnantallet, sensorantallene i tverrtrinnene og koblingsrfaksjonene reduserer, men ikke minimerer, støytallet, slik at fordelings- og returpumpeeffektbehovene også reduseres.

24. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 21, hvor fordelingskoblingsfraksjonene er de samme.

25. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 21, hvor busskoblingsfraksjonene for tverrtrinnene er de samme.

26. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 20, innbefattende minst ett Bragg-fibergitter posisjonert på en ende av minst en av bussene (100,120) og anordnet til å reflektere ubrukt effekt i minst en av bussene (100,120).

27. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 20, hvor den minst ene sensoren i hvert tverrtrinn innbefatter en optisk sensorgruppe som innbefatter minst to sensorer, og hvor et koblingsforhold mellom en første ende i hver sensorgruppe og fordelingsbussen (100) er mellom omtrent 0,4 og omtrent 0,95.

28. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 20, hvor den minst ene sensoren (110) i hvert tverrtrinn innbefatter en optisk sensorgruppe, hvor hver optisk sensorgruppe innbefatter et mangfold av sensorer koblet mellom fordelingsbussen (100) og returbussen (120), og hvor et sensorantall i hver sensorgruppe er valgt for å tilveiebringe et største signal/støy-forhold for det forandrede optiske signalet.

29. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor den minst ene sensoren (110) innbefatter en optisk sensorgruppe som innbefatter minst to optiske sensorer.

30. Optisk sensorarkitektur som angitt i krav 1, hvor den minst ene sensoren (110) innbefatter en optisk sensorgruppe som innbefatter minst fire optiske sensorer.

31. Fremgangsmåte for å optimalisere en gruppe av optiske sensorer, karakterisert ved at den innbefatter: å koble en gruppe optiske sensorer (110) til et optisk fiber (100,120) ved hjelp av et mangfold koblere (140, 142), å forsterke et optisk signal som blir forplantet i det optiske fiberet (100,120) ved hjelp av et mangfold forsterkere (130, 132) for å kompensere for tap i gruppen, og å velge koblingsforhold for koblerne (140,142) og forsterkninger for forsterkerne (130,132) for å optimalisere et systemstøytall, hvilket systemstøytall er forholdet mellom inngangssignalets signal/støy-forhold og signal/støyforholdet til et optisk signal i en sensor (110) med et laveste signal/støy-forhold.

32. Fremgangsmåte som angitt i krav 31, videre innbefattende å forplante pumpeenergi gjennom fordelings- og returbusser (100,120), hvilken pumpeenergi tilveiebringer forsterkning for optiske forsterkere (130, 132) posisjonert langs fordelings- og returbussene (100,120), å forbinde et mangfold tverrtrinn til fordelings- og returbussene (100,120) via et mangfold koblere, (140,142), hvor hvert av tverrtrinnene innbefatter minst en sensor (110) som mottar en respektiv del av et optisk inngangssignal innsendt i fordelingsbussen (100), hvilke sensorer genererer respektive optiske retursignaler som går inn i returbussen (120), og å velge tverrtrinnantallet og sensorantallet i tverrtrinn for å tilveiebringe et samlet sensorantall som omtrent er lik et ønsket sensortotalantall, hvilket tverrtrinnantall og hvilke sensorantall i tverrtrinnene er valgt slik at den optiske sensorarkitekturens støytall blir redusert.

33. Fremgangsmåte som angitt i krav 32, hvor tverrtrinnantallet og sensorantallene i tverrtrinnene velges for å redusere, men ikke minimere, støytallet slik at fordelings- og returpumpeeffektbehovene også reduseres.

34. Fremgangsmåte som angitt i krav 32, hvor fraksjonen av det optiske inngangssignalet for kobling inn i tverrtrinnene av koblerne (140) i fordelingsbussen (110) velges for å redusere den optiske sensorarkitekturens støytall for bestemte nivåer av optisk inngangssignal og fordelings- og returpumpesignaler.

35. Fremgangsmåte som angitt i krav 32, hvor sensorantallet i tverrtrinnene er det samme for hvert tverrtrinn.

36. Fremgangsmåte som angitt i krav 32, videre innbefattende å velge respektive fraksjoner av det optiske inngangssignalet for kobling inn i tverrtrinnene av koblerne (140) i fordelingsbussen (100) og respektive fraksjoner av de optiske retursignalene som ble koblet inn i returbussen (120) av koblerne (142) i returbussen (120) for å redusere den optiske sensorarkitekturens støytall for et sensortotalantall som er omtrent det samme som et ønsket sensortotalantall.

37. Fremgangsmåte som angitt i krav 36, hvor tverrtrinnantallet og sensorantallet i hvert tverrtrinn velges for å redusere den optiske sensorarkitekturens støytall.

38. Fremgangsmåte som angitt i krav 37, hvor sensorantallet i tverrtrinnene er de samme.

39. Fremgangsmåte som angitt i krav 36, hvor tverrtrinnantallet, sensorantallene i tverrtrinnene og koblingsrfaksjonene velges for å redusere, men ikke minimalisere støytallet slik at fordelings- og returpumpeeffektbehovene også reduseres.

40. Fremgangsmåte som angitt i krav 36, hvor fordelingsbusskoblingsfraksjonene for tverrtrinnene alle hovedsakelig er de samme.

41. Fremgangsmåte som angitt i krav 36, hvor returbusskoblingsfraksjonene alle er hovedsakelig de samme.

42. Fremgangsmåte som angitt i krav 36, hvor trinnet å velge innbefatter trinnet å velge et ønsket optisk inngangssignalnivå og ønskede nivåer for fordelingspumpesignal og returpumpesignaler.

43. Fremgangsmåte som angitt i krav 42, hvor mangfoldet av sensorer (110) er anordnet som en gruppe av delgrupper koblet mellom fordelingsbussen (100) og returbussen (120) ved hvert av de flere tverrtrinnene, og hvor fremgangsmåten videre innbefatter trinnet å velge et optimalt sensorantall for hver delgruppe.

44. Fremgangsmåte som angitt i krav 42, hvor signal/støyforholdet videre blir forbedret ved å optimalisere et koblingsforhold mellom hver sensor (110) og fordelingsbussen (100).

45. Fremgangsmåte som angitt i krav 44, hvor signal/støyforholdet videre forbedres ved å optimalisere et koblingsforhold mellom hver sensor (110) og returbussen (120).

46. Fremgangsmåte som angitt i krav 42, hvor signal/støyforholdet videre forbedres ved å optimalisere et koblingsforhold mellom hver sensor (110) og returbussen (120).

47. Fremgangsmåte som angitt i krav 31, videre innbefattende å posisjonere gruppen av optiske sensorer mellom et distribusjonsfiber som forplanter et optisk inngangssignal fra en kilde (106) og et returfiber (120) som returnerer forandrede optiske signaler til en detektor (126), hvor hver optisk sensor er koblet til fordelingsfiberet ved hjelp av en respektiv inngangskobler og koblet til returfiberet ved hjelp av en respektiv utgangskobler.

48. Fremgangsmåte som angitt i krav 47, hvor gruppen innbefatter et mangfold av delgrupper koblet mellom distribusjonsfiberet (100) og returfiberet (120), og hvor fremgangsmåten videre innbefatter trinnet å velge et optimalt sensorantall for hver delgruppe.