JPH05500714A - 超蛍光光源を利用する干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 超蛍光光源を利用する干渉計 この発明は光干渉計および構成要素の分野におけるものであり、かつ、特に、干 渉計、回転感知器などのための広帯域光源の分野におけるものである。

関連技術の説明 サニヤック干渉計は、そのループが装着される物体の回転を感知するために使用 される典型的には光ファイバの光ループを含む。簡潔には、このような干渉計は 、光源からの光エネルギを２つの実質的に等しい光線に分け、かつその２つの光 線がループのまわりを反対方向に伝搬することを引起こすことによって動作する 。２つの光線は、ループを通過した後結合され、かつ２つの光線の干渉によって 引起こされた結合された光の強さにおける変化が検出される。

よく知られたサニヤック効果に従うと、物体の回転およびファイバのループの回 転が、順に検出された強さが変化することを引起こす２つの方向に伝搬する光の 間の相対位相における変化を引起こす。ループの回転速度は強さにおける検出さ れた変化から決定され得る。たとえば、米国特許第４，４１０．２７５号２第４ ，５２９．３１２号、第４゜６３７．７２２号、第４，６７１，６５８号、第４ ，６８７．３３０号および第４，８３６，６７６号を参照されたい。

サニヤック干渉計に関しては、先ファイバのループに導入される光を与えるため に広帯域光源を使用することか白゛利であることが発見されている。たとえば、 超放射光源が記述されている米国特許第４．６３７．０２５号を参照されたい。

米国特許第４，６３７，０２５号における光源は、ネオジムまたは希土類のよう な活性蛍光物質でドープされたコアを有する単モード光ファイバにポンプ信号を 導入することによって動作する。ポンプ光は、蛍光物質によって光量子の自然放 出の増幅を引起こす十分な強さを有する。

一実施例では（図１）、ポンプ光はレンズを介して光ファイバに入力される。２ つの実施例のうちの第２では、ポンプ光はポンプ光を透過させ、かつ放出された 光を高度に反射するダイクロイックレンズを介して導入される。ポンプ光は蛍光 物質によって吸収され、かつそこにある電子をより高いエネルギ状態に励起し、 電子かより低い状態に遷移するとき放田先の結果をもたらす。自然放出が起きる ランダムな態様ゆえ、増幅された放出された光は効果的に自然蛍光であり、かつ 時間非コヒーレンス（ｔｅｍｐｏｒａｌｌｙ　Ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ　）である 。

米国特許第４，６３７，０２５号における２つの実施例はファイバのコアにおい てすべての方向に放出される光を発生する。コアにおいて発生される光の一部は ファイバの出力端部を直接伝搬して出る。光の第２の部分はファイバの入力端部 の方へ伝搬される。第１の実施例では、光はフアイμの入力端部に達する。第２ の実施例のように、入力端部は反射器を有さないが、光路における表面は発生さ れた光の一部がファイバの中に反射され戻ることを引起こす。

第２の実施例では、ダイクロイック反射器が入力端部分へ伝搬する発生された光 を特に出力端部分の方へ反射しもどすために含まれる。

米国特許１４，６３７，０２５号ではファイバの出力端部において反射器が設け られていす、そのためレーザ発振が意図的に防がれる。たとえば、その特許の５ 欄、１〜５行を参照されたい。このような光源でのレーザ発振を支持する意図は ないが、サニヤック干渉計と組合わせてこのような光源が使用されたとき、たと えば、干渉計の光フアイバループが鏡のように作用することが発見されている。

すなわち、ファイバループに入る光はループのまわりを伝搬し、かつ入来方向と 反対の方向（たとえば、光源に戻る方）に伝搬し出る。出た光の一部は蛍光光フ ァイバに再び入る。

光ファイバ（図１）の入力端部でのダイクロイック反射器（図２）はこの戻りの 光を反射する。こうして、蛍光ファイバの入力端部での反射と光フアイバループ によって引起こされる「反射」との相互作用ゆえに、意図されないレーザ発振が 見られ得る。レーザ発振は多くの応用では受入れることのできないものである。

発明のｍ要 この発明は光源と光ループを有する干渉計を含む。光源はポンプ放射でのポンピ ングに応答する広帯域光信号を放出する材料から形成される先導波管を含む。光 源は光ループと光源との間に延在する接続光路に沿って放出された光信号を光ル ープに導入する。戻りの広帯域光信号を与えるために、接続先路に沿って光源に 戻る放出された光信号を含む少なくとも一部分の光をループは戻す。光源は戻り 光信号がループに反射され戻されることを防ぐために戻り光信号に対して非反射 的である。このような反射を防ぐことによって、干渉計は源とループとの間の共 振を避け、かつスペクトル線幅を実質的に狭めることを防ぐ。

好ましい実施例では、光源はさらに、ポンプ光が放出された光信号とは反対の方 向に導波管において伝搬されるように光放出材料を光学的にポンプするように結 合されたポンプ光の源を含む。導波管はクラッドに囲まれるコアを有する光ファ イバを含み、かつポンプ光源はポンプ光をクラッドに結合する。光ファイバは第 １の受入れ領域に対応する第１の開口数を有し、かつクラッドは第２の受入れ領 域に相当する第２の開口数を有する。受入れ領域はそれらの間のアパーチャ窓（ νｉ　ｎｄｏν）を規定し、かつポンプ源はファイバの一方端部においアパーチ ャ窓の中にポンプ光を導入する。一実施例では、光ファイバのコアは円形であり 、かつ単一モードであり、一方クラッドは方形であり、かつ多モードである。フ ァイバはネオジムまたは他の光放出物質でドープされる。

この発明のさらに他の局面に従うと、戻り光信号は導波管に沿って伝搬し、かつ その端において導波管を出る。光検出器は戻り光信号を検出するためにこのよう な端部に位置決めされ、かつそこに入射する光がループに反射され戻されるのを 防ぐために配置される。好ましい実施例では、光ループは２つの偏光モードを冑 する先導波管を含み、かつ放出された光信号はループの長さをわたった（　ｔｒ ａｖｅｒｓｅ）後モード間の伝搬時間差より著しく短いコヒーレンス時間を何す る。

この発明はまた光源および光感知ループを有する干渉計を動作する方法も２２含 する。この方法に従うと、ポンプ放射は広帯域光を放出するために光導波管をポ ンプするため先導波管に入力される。光源からの放出された光は先感知ループの 方へ伝搬されかつ光感知ループからの光はループに戻ることなく、干渉計の中の 放出された光の光共振を防ぐために光源の方へ戻される。好ましくは、放出され た光は導波管の第１の端部から放出され、かつポンプ放射は感知ループと導波管 の第２の端部との間の位置で先エネルギの形態で導波管に結合される。方法のさ らに他の好ましい局面は、増幅された光を与えるために導波管を介して源にルー プから伝搬する放出された光を通過させることと、増幅された光を検出すること を含む。

図面の簡単な説明 図１は従来の広帯域光源を図で示したものである。

図２は従来のサニヤック干渉計を図で示したものである。

図３は従来のサニヤック干渉計およびこの発明の１つの局面に従った広帯域光源 を図で示したものである。

図４は従来のサニヤック干渉計およびこの発明の第２の局面に従った広帯域光源 を図で示したものである。

図５は従来のサニヤック干渉計および広帯域光源が二重クラッドネオジムドープ された光ファイバを含むこの発明のさらに他の局面に従った広帯域光源を図で示 したものである。

図６は図５における線６−６に沿ってとられた二重クラッドネオジムドープされ た光ファイバの断面図である。

図７は二重クラッドネオジムドープされた光ファイバの図５の多モード光ファイ バとの並列の断面表示である。

図８は従来のサニヤック干渉計およびこの発明に従った広帯域光源を図で表示し たものであり、二重クラッドネオジムドープされた光ファイバに対するポンプ源 の代替の配置を示す。

図９は従来のサニヤック干渉計およびこの発明に従った広帯域光源を図で示した ものであり、二重クラッドネオジムドープされた光ファイバに対するポンプ源の さらに他の代替の配置を示す。

図１０は、この発明に従った広帯域光源のさらに他の実施例と組合わされた従来 のサニヤック干渉計を図で示したものであり、ポンプ光はダイクロイックミラー を介してド−ブされた光ファイバに結合される。

図１１は光検出器がドープされた光ファイバからの増幅された光を受けるように 位置決めされる、図１０の広帯域光源およびサニヤック干渉計を図で示したもの である。

図１２は、光検出器がドープされた光ファイバからの増幅された光を受けるよう に位置決めされた、図３の広帯域光源およびサニヤック干渉計を図で示したもの である。

図１３は光検出器がドープされた光ファイバからの増幅された光を受けるように 位置決めされる、サニヤック干渉計および図９の広帯域光源を図で示したもので ある。

好ましい実施例の詳細な説明 図１は例示の広帯域光源１００を示す。図示されているように、光源１００は第 １の端部１１２および第２の端部１１４を有する光ファイバ１１０を含む導波管 を含む。光ファイバ１１０は蛍光光ファイバである。すなわち、光ファイバ１１ ０は特定の範囲の光波長（光ファイバの吸収帯域と呼ばれる）において光エネル ギでポンプされたとき、光ファイバ１１０はポンプ光エネルギの波長に応答した 波長を有する出力光を発生する。光ファイバ１１０は、たとえば、０．８２ミク ロンのオーダーでの波長を有する光を吸収するネオジムのような活性蛍光材料で ドープされるホストガラスのコアを含む。ポンプ光エネルギからの吸収された光 量子は活性物質における電子をより高いエネルギ電子エネルギ状態に励起し、か つ電子がより低いエネルギ準位に遷移するとき光量子は特性放出帯域または蛍光 波長において放出される。たとえば、ネオジムの場合では、放出帯域は１．０６ ミクロンおよび１．３５ミクロンである。

自然放出に対するより低いエネルギ準位を介し基底状態に戻る遷移が、ポンプ光 によって引起こされた光量子放出が増幅された自然蛍光になることを引起こすよ うなランダムな態様で起き、そのため放出された出力光が一時的に非コヒーレン スになることを引起こす。

広帯域光源１００はさらに、たとえば、蛍光光ファイバ１１０の吸収帯域の１つ の内において、たとえば、０．８２ミクロンでの波長を有する光ポンプ信号を提 供するレーザダイオードまたは同種のものであり得るポンプ光源１２０を含む。

ポンプ光源１２０によって与えられるポンプ光はレンズ１２２または同種のもの を介して光ファイバ１１０の第１端部１１２に導入され、そのため光ポンプは光 ファイバ１１０のコアにおける蛍光物質の中を伝搬する。ポンプ光源１２０によ って与えられるポンプ光の強さは蛍光物質における電子の反転分布を引起こすの に十分なほど大きくなるように選択され、それによって蛍光物質からの光の増幅 された自然放出を支える。蛍光光ファイバ１１０の長さは十分に長く選択され、 そのため実質的にすべてのポンプ光エネルギが蛍光物質によって吸収され、かつ 光ファイバ１１０の第２の端部１１４からは、もしあるとしても、はとんどポン プ光エネルギが放出されない。放出された光エネルギはいわゆる超放射発光ダイ オード（ＬＥＤ）によって生じた光に相関した高い放射の強さをＨする。さらに 、放出された光はレーザダイオードの特性スペクトル線より広い波長分布を何し 、低い時間コヒーレンスを有し、かつ通常、温度依存である主たる波長を有する 。放出された光は蛍光光ファイバ１１０のコアにおける蛍光物質の中ですべての 方向に発生される。初めに第２の端部１１４の通常の方向に伝搬する光の部分（ 順方向伝搬光とここでは呼ばれる）は広帯域出力信号としてそこから放出される であろう。

図２は光源１２３（典型的には超ルミネセンスダイオード）が光ファイバ１２５ に結合される従来のサニヤック干渉計１０２を示す。源１２３からの光は、たと えば、米国特許第４，５３６．０５８号などに従って好ましくは構築される第１ の方向性結合器１２６の半体内に光ファイバ１２５を形成することによってサニ ヤック干渉計１０２に導入される。第１の方向性結合器のもう一方の半体は第１ の端部１３２および第２の端部１３４を有する光フアイバ１３０上に形成される 。第１の方向性結合器１２６はサニヤック干渉計１０２における光ファイバ１３ ０に蛍光光ファイバ１１０からの光の約５０％を結合するように構築される。

結合器１２６に加えて、サニヤック干渉計１０２はさらに、光ファイバ１３０の 一部を２つの端部１３２および１３４の間のループ１４２内に形成する第２の方 向性結合器１４０を含む。ループ１４２は干渉計１０２の感知部分として動作す る。第２の方向性結合器１４０は好ましくは、第１の方向性結合器１２６と同し 態様で構成され、かつまた、好ましくは、光源１２３から光ファイバ１３０へ結 合される光の約５０％が第１の方向（図２における時計回り）にループ１４２の まわりを伝搬し、かつ約５０％が第２の反対の方向（図２において反時計回り） にループ１４２のまわりを伝搬するような５０％結合器である。ループ１４２の まわりを伝搬する光は第２の方向性結合器１４０によって再結合され、かつ再結 合された光信号は第１の方向性結合器１２６の方へ伝搬され戻る。約５０％の光 は光ファイバ１３０の第１の端部１３２を介して出力信号として与えられ、他の ５０％は光源１２３に結合され戻される。

第１の端部１３２からの出力信号はプロセッサ１５４に与えられる線１５２上の 電気出力信号を与える検出器１５０によって検出される。プロセッサ１５４は電 気出力信号を処理し、かつループ１４２が回転する方向と速度に応答するバス１ ５６上の計算された出力信号Ωを与える。サニヤック干渉計の動作はよく知られ ており、かつここで詳細に論じられないであろう。当業者はさらに他の構成要素 がこのような干渉計の動作を改善するためにしばしば使用されることを認識する であろう。たとえば、図２のサニヤック干渉計１０２は、電気出力信号が同期的 に復調されることができるようにループ１４２内で逆伝搬光信号に位相変調を導 入するプロセッサ１５４によって駆動される位相変調器１５８をさらに含む。こ の型のサニヤック干渉計の例は米国特許第４，６７１，６５８号および４，８８ １，８１７号に開示されている。第１の方向性結合器１２６および第２の方向性 結合器１４０の間の光フアイバ１３０上に位置決めされる偏光器１６０のような 他の構成要素もまた多くの応用において有利に使用される。サニヤック干渉計１ ０２の部分が統合された光学構成要素またはバルク状の光学構成要素を使用して 有利に構成され得ることもまた当業者は認識するであろう。

図１の広帯域光［１１０はそこに広帯域光を供給するために干渉計１０２の光源 １２３にとって代わってもよい。

このことは、ファイバ１１０の第２の端部１１４をファイバ１２５の入力端部に 結合するか、またはファイバ１１０を第１の方向性結合器１２６の半体に形成す るかのどちらかで達成されてもよい。第１の端部１１２の方へ伝搬する蛍光光フ ァイバ１１０に発生される光（ここでは逆方向伝搬光と呼ばれる）は、ポンプ源 １２０の方へ第１の端部１１２から通常放出されるであろう。しかしながら、第 １の端部１１２は通常、滑らかな平坦な端部か、または滑らかな球状の端部かの どちらかであるであろうから（米国特許第４，６３７，０２５号に記述されてい るように）、第１の端部１１２は逆方向伝搬光の部分的な反射器として作用し、 かつ逆方向伝搬光が先ファイバ１１０の第２の端部１１４の方へ反射され戻され ることを引起こすであろう。さらに、レンズおよびポンプ源は光を反射する表面 を有する。

反射された光もまたサニヤック干渉計１０２に導入されるであろう。米国特許第 ４，６３７，０２５号において、逆方向伝搬光を反射することは望ましいと考え られていた。

たとえば、その特許の図２においては、ダイクロイック反射器が第１の端部１１ ２上に形成され、そのため実質的にすべての逆方向伝搬放出された光が第２の端 部１１４に反射される実施例が開示されている。

出願人は、逆方向伝搬光の反射は多くの応用において不所望であることを発見し た。特に、ループ１４２が鏡と同じ効果を与え、かつサニヤック干渉計１０２の 中に導入されループ１４２のまわりを伝搬する光の５０％までが光源に結合され 戻され得る。もし図１の光源が図２の干渉計において使用されれば、源はその光 の一部を反射し、そのため、それは干渉計ループの方へ再び伝搬され戻されるで あろう。図１の源および図２のループは共振空洞の２つの鏡として作用すること が理解され得る。こうして、共振レーザ動作が不所望の時間コヒーレントレーザ 光の発生を引起こすために生じ得る。

図３は蛍光光ファイバの一方の端部における光の反射を排除することによって共 振レーザ動作が生じるのを防ぐ広帯域光源の第１の実施例を示す。この実施例は 図２のすニヤツク干渉計と同し基本構成を使用し、かつ第１の端部１３２および 第２の端部１３４を有する光ファイバ］３０を含む。図３のサニヤック干渉計の 基礎的な動作はほとんど上ｌ己のとおりである。

図３において示されているように、光源２００は、上記のようなネオジムドープ されたコアまたはエルビウムのような他の希土類ドープされたコアを自゛利に有 する蛍光光ファイバ２１０を含む。蛍光光ファイバは第１の端部２１２および第 ２の端部２１４を有する。光源２００はさらに、たとえば、レンズ１２２を使用 して蛍光光ファイバの第２の端部２１４に結合されるポンプ源１２０を含む。こ うして、蛍光光ファイバ２１０に導入されたポンプ光は第２の端部２１４から第 １の端部２１２の方へ伝搬し戻る。サニヤック干渉計は、第２の端部２１４に最 も近い蛍光光フアイバ２１０上に形成され、かつ第１の端部１３２に最も近い光 フアイバ１３０上に形成される結合器２２０を介して光源２００に結合される。

図２の結合器１２６と異なり、図３の結合器２２０はマルチブレクシング結合器 である。

上記のとおり、たとえば、米国特許第４，５５６，２７９号では、マルチブレク シング結合器２２０は光の波長に従って２つの結合器の半体の間に異なったパー セントの光を結合するように構成される。たとえば、マルチブレクシング結合器 ２２０は、ポンプ信号の波長（たとえば０．８２ミクロン）で光ファイバ２３０ に導入される実質的にすべての光が結合されずに上記の蛍光効果を引起こすよう に蛍光光ファイバ２１０に残留するように構成される。他方、マルチブレクシン グ結合器２２０は蛍光光フアイバ２１０内で発生され、かつ第２の端部２１４の 方へ順方向で伝搬する蛍光光の約５０％が蛍光光ファイバ２１０から光ファイバ １３０へ結合されることを引起こす。結合された光は先ファイバ１３０を方向性 結合器１４０へと、それからサニヤック干渉計ループ１４２へと伝搬する。好ま しい実施例では、１つのモードでループを横切る光が他のモードでループを横切 る光に対して伝搬時間差を生むように、異なった速度で光を伝搬する２つの偏光 モードを有する導波管（光ファイバのような）を含む。好ましくは、伝搬時間差 はループに入力される光のコヒーレンス時間より著しく大きい。

蛍光光ファイバ２１０の第１の端部２１２は第１の端部２１２における反射を妨 げるように特に形成される。たとえば、図３では、第１の端部２１２を横切る斜 めの線は、第１の端部に伝搬する光が第１の端部２１２から非反射的に放出され るであろうようにある角度（たとえば１５度）で切断されたことを示す。こうし て、第１の端部２１２の方へ伝搬する光は実質的に第２の端部２１４に反射され 戻されないであろう。

検出器１５０は光ファイバ１３０の第１の端部１３２に最も近く位置決めされ、 そこから放出される光を検出する。

フィルタ２４０は第１の端部１３２と検出器２４０との間に有利に位置決めされ る。フィルタ２４０の目的は以下に簡単に説明されるであろう。

蛍光光ファイバ２１０に結合されるポンプ光は図１と関連して上で論じられた広 帯域光の放出を刺激する。ポンプ光の強さは蛍光物質における電子の反転分布を 引起こすのに十分大きくなるよう選択され、それによって蛍光物質からの増幅さ れた光の自然放出を支える。蛍光光ファイバ２１０の長さは、実質的にすべての ポンプ光エネルギが蛍光物質によって吸収され、かつ光ファイバ２１０の第１の 端部２１２からはもしあったとしても、はとんどポンプ光エネルギが放出されな いように十分に長く選択されるが、しかしながら、第１の端部２１２は非反射的 に終端されるので、これは厳格な要求ではないと理解されるべきである。

サニヤック干渉計から戻る再結合された光は、再結合された光の５０％か蛍光光 ファイバ２１０に結合され、かつ第１の端部２１２に伝搬し、かつそこから非反 射的に放出されるマルチブレクシング結合器２２０に戻る。再結合された光の他 の５０９６は光フアイバ１３０内にとどまり、かつそれが放出される第１の端部 １３２に伝搬する。放出された光は、上記のように処理される応答する電気信号 を発生するためにそれが検出される検出器１５０にフィルタ２４０を介して達す る。マルチプレクシング結合器２２０は好ましくは、ポンプ源１２０からの光が 実質的に全く光ファイバ１３０に結合されないように構成されるが、フィルタ２ ４０は結合されるかもしれないいかなるポンプ光をもフィルタ除去するために含 まれる。フィルタ２４０は、ポンプ光波長（たとえば０．８２ミクロン）におけ る実質的にすべての光か遮断され、かつ放出帯域（たとえば１．　０６ミクロン ）における実質的にすべての光がフィルタ２４０を介して検出器１５０に伝送さ れるような光学特性を有するように選択される。

蛍光光ファイバ２１０の第１の端部２１２を非反射的に終端することによって、 レーザ発振を支える共振空洞を作る可能性がなくなることが理解され得る。これ は、特に、広帯域光源２００からサニヤック干渉計に導入される光の広帯域で、 時間非コヒーレンスの特徴を維持し、かつ干渉計において伝搬する光のスペクト ラル狭めを妨げることにおいて有利である。

図３の実施例では、ポンプ源１２０によって放出される光の一部が光ファイバ１ ３０にマルチブレクシング結合器２２０を介して不所望に結合されるかもしれな い。ポンプ光が検出器１５０の動作に干渉しうる可能性がある。

図４は検出器１５０が効果的にポンプ光から分離されるこの発明の代替の実施例 を示す。図３に示されているように、サニヤック干渉計は広帯域光源３００に結 合される。

広帯域光源３００は第１の端部３１２と第２の端部３１４を有する蛍光光ファイ バ３１０を含む。蛍光光ファイバ３１０は上で論じられた特徴をＨする。第１の マルチプレクシング結合器３２０は光ファイバ３３０に蛍光光ファイバを結合す るために蛍光光ファイノ＼３１０上に形成される。

光ファイバ３３０は第１の端部３３２と第２の端部３３４とを有する。ポンプ光 源１２０は上記のようにレンズ１２２を介して蛍光光ファイバ３１０の第２の端 部３１４に光を入力するように位置決めされる。マルチブレクシング結合器３２ ０は、ポンプ光か蛍光光ファイバ３１０から実質的に光ファイバ３３０に結合さ れないように構成される。

こうして、第１の端部３１２の方に実質的にすべてのポンプ光か伝搬し、かつ蛍 光光ファイバ３１０における蛍光物質によって吸収される。蛍光光ファイバ３１ ０の第１の端部は非反射的に終端され（たとえば、それを、たとえば１５度の角 度で切断することにより）、そのため実質的にすべてのポンプ光および第１の端 部３１２の方に伝搬する実質的にすべての放射された光はそこから放出される。

マルチブレクシング結合器３２０はさらに、蛍光光ファイバ３１０の放出波長（ たとえば、１．０６ミクロン）において実質的に１００％結合を与えるように構 成され、そのため第２の端部３１４の方に伝搬する放出された光は蛍光光ファイ バ３１０から光ファイバ３３０に結合される。

こうして、放出帯域における光は実質的にポンプ源１２０に伝搬しないであろう 。

第１の方向性結合器１２６の第１の半体は光フアイバ３３０上に形成される。第 １の方向性結合器の第２の半体は光フアイバ１３０上に形成される。第１の方向 性結合器］２６は、光ファイバ３３０における光の約５０％をサニヤック干渉計 における光ファイバ１３０に結合するように構成される。光ファイバ１３０に結 合される光の５０％の部分は第２の方向性結合器１４０に伝搬し、かつこうして サニヤック干渉計のループ１４２に結合される。

サニヤック干渉計の結合器１４０から再結合された光は、第１の方向性結合器１ ２６に伝搬し戻る。光ファイバ１３０において約５０％の光か残り、かつ第１の 端部１３２から検出器１５０に放出される。再結合された光の他方の５０％は光 ファイバ３３０に結合され、かつ、非反射性の第１の端部３１２に伝搬しかつそ こから放出されるために蛍光光ファイバ３１０にそれが結合されるマルチブレク シング結合器３２０に伝搬し戻る。再び、第１の端部３１２は共振空洞の形成を 防ぐために非反射的に終端される。

図示されるように、検出器１５０は光ファイバ１３０の第１の端部１３２に最も 近く位置決めされる。ポンプ源１２０が示されたように位置決めされた状態で、 検出器１５０にポンプ光が到達する可能性は実質的に全くないということが理解 され得る。こうして、第１の端部１３２と検出器１５０との間のフィルタの必要 性はない。

図５はこの発明のさらに他の実施例を示す。干渉計は上で述べられたように実質 的に構成される。干渉計は第１の方向性結合器１２６を介して広帯域光源４００ に結合される。方向性結合器１２６は第１の端部４０４および第２の端部４０６ を有する光ファイバ４０２に光ファイバ１３０を結合する。

広帯域光源４００はポラロイド・コーポレーション（Ｐ。

１ａｒｏｊｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手可能なような二重クラッド蛍 光光ファイバ４１０を使用して構成される。二重クラツド光ファイバ４００は図 ６の断面図においてより詳細に示される。図示されるように、二重クラツド光フ ァイバ４１０は、おおよそ重量て０．５９ｆｉのＮｄ２０．および重量で３．８ ％のＡｌ２Ｏ，でドープされたシリカガラスを含む内部コア４２０を含む。コア ４２０は０．１６の開口数を有する。コア４２０は約４，８ミクロンの直径を有 し、かつおおよそ長方形の形を有する第１のクラッド４２２に囲まれる（たとえ ば、図示されるように、微妙に丸められた端部によって接続される２つの実質的 に平行な側部を有する）。第１のクラッド４２２は約縦１１０ミクロン、横４５ ミクロンの長方形の寸法を有し、約２７４のコア領域に対する第１のクラッド領 域の割合を備える。第１のクラツ＋：４２２は主にシリカ（ＳｉＯ□）を含む。

第１のクラッド４２２は第１の緩衝被覆である第２のクラッド４２４に囲まれる 。第２のクラッド４２４は約１．３９の屈折率を存する柔軟なフルオロ−ポリマ を含む。第１のクラッド４２２と第２のクラット４２４との間の開口数は約０． ４である。第２のクラッド４２４は二重クラツド光ファイバ４１０を保護するた めの市販の強固なポリマを含む第２のまたは外部の緩衝被覆４２６て囲まれてい る。

第１のクラッド４２２は二重クラツド光ファイバ４１０の多モードコアとして機 能する。以下で論じられるように、多モードコア（すなわち、第１のクラッド４ ２２）は、二人れられないであろうような角度で導入される光を受入れるであろ う。同様に、光は内部コア４２０に入らないような位置において第１のクラッド ４２２に導入され得る。

図５に戻って、二重クラツド光ファイバ４１０は第１の端部４３０および第２の 端部４３２を有し、それらの各々は２つの端部を角度を付けて切断することによ って非反射的に終端される（たとえば、第１の端部４３０および第２の端部４３ ２は約１５度で切断される）。第２の端部４３２は干渉計における光ファイバ４ ０２の第１の端部４０４に最も近く位置決めされる。レンズ（図示せず）は、二 重クラツド光ファイバ４１０の第２の端部４３２から光ファイバ４０２の第１の 端部４０４へ光を向けるために有利に使用される。こうして、広帯域光源４００ によって発生された光の約５０％はサニヤック干渉計に結合される。

二重クラツド光ファイバ４１０の第１の端部４３０は光源４４０からのポンプ光 を受取るように位置決めされる。

図５の実施例では、ポンプ源４４０はＧａＡ　ＩＡｓ位相アレイのようなダイオ ードアレイ４４２、および多モートファイバ４４４を含む。多モードファイバ４ ４４は第１の端部４４６および第２の端部４４８を有する。ダイオードアレイ４ ４２は光を第１の端部４４６に導入し、かつそれは第２の端部４４８に伝搬する 。多モードファイバ４４４の第２の端部４４８は二重クラツド光ファイバ４１０ にピグテールにされ、そのため、光は二重クラッド光ファイバ４１０１：結合さ れる。これは、２つのファイバ４１０．４４４の間のピグテール接続部の断面図 である図７により明らかに示されている。

図７に示されているように、多モードファイバ４４４がコア４５０および外部の クラッド４５２を有する。多モードファイバ４４４は、コア４５０が二重クラツ ド光ファイバ４１０の第１のクラッド４２２と並列するように二重クラツド光フ ァイバ４１０の角度を付けて切断された第１の端部上に位置決めされる。こうし て、多モードファイバ４４４から放出された光は二重クラツド光ファイバ４１０ の第１のクラッド４２２に入り、かつそこで伝搬し始める。

光はある角度で二重クラッド先ファイバ４１０に入るので、光は二重クラツド光 ファイバ４１０のコア４２０によって導かれず、むしろコア４２０を繰り返して 横切る（ｔｒａｖｅｒｓｅ）。光がコア４２６を横切るとき、上記のとおりに、 そこにある電子の励起を引起こすためにネオジムドーピングによってそれは吸収 される。これにより、コア４２０への広帯域光の超蛍光動作および放出の結果が もたらされる。

放出された広帯域光は、それがサニヤック干渉計に結合される二重クラツド光フ ァイバ４１０の第２の端部４３２に伝搬する。第２の端部４３２の角度の付けら れた切断により、第１の端部４３０の方へいかなる放出された光でも反射し戻さ れるのが防がれる。同様に、第１の端部４３０の角度を付けられた切断は、いか なる逆方向伝搬光であっても第２の端部４３２に反射されることを防ぐ。こうし て、レーザ発振を支えるであろう共振空洞を作る可能性はほとんどなく、かつ超 蛍光出力信号の広帯域特性はこれによって維持される。

図５および図７では、多モードファイバ４４４からのポンプ光が、光がコアの開 口数とクラッドの開口数との間のアパーチャ窓の中へ導入されるような角度で二 重クラツド光ファイバ４１０に導入される。すなわち、二重クラツド光ファイバ ４１０に対する多モードファイバ４４４の角度は光がコア４２０に導かれないほ ど十分にコア４２０の受入角より大きい。他方、二重クラツド光ファイバ４１０ に対する多モードファイバ４４０の角度は第１のクラッド４２２の受入角より十 分小さく、そのため光は、上記のとおり、第１のクラッド４２２内で導かれ、か つコア４２０を横切る。言換えると、光はコア４２０の開口数の外でかつ第１の クラッド４２２の開口数の中で二重クラツド光ファイバ４１０の中に導入される 。約０．１６のコア開口数および約０．４０の第１クラツド開口数を有する例示 の二重クラツド光ファイバ４１０ては、アパーチャ窓または受入窓は約８度より 大きく、約２３度よりも小さい角度の範囲に相当する。たとえば、この発明の１ つの特定の実施例では、光は第１のクラッド４２２に対する受入窓内に十分に１ ５度の角度で導入される。

図７では、多モード光ファイバ４４４のコア４５０は二重クラツド光ファイバ４ １０の内部コア４２０からオフセットし、そのため光は二重クラツド光ファイバ ４１０の多モードコア（すなわち、第１クラツド４２２）にのみ入る。

さらに、２つのファイバは２つのファイバの縦軸が約１５度の角度にあり、たと えば、光が二重クラツド光ファイバ４１０の多モードコア（すなわち、第１クラ ツド４２２）の受入窓内にのみあるように位置決めされる。こうして、多モード ファイバ４４４からのポンプ光は内部コア４２０によって受入れられない。光が 内部コア４２０に入ることを妨げるこれら２つの方法（すなわち、２つのファイ バをある角度に位置決めし、かつ２つの内部コアをオフセ・ン卜すること）は、 図示されているように、ともに、または別個に使用され得る。２つの内部コアの オフセットは、二重クラッド先ファイバ４１０の内部コア４２０内で発生された 蛍光光が多モード光ファイバ４４４の内部コア４５０に結合されないというさら に他の利点を有する。これにより、いかなる光も多モード光ファイバ４４４の第 １の端部４４８において反射され、かつ二重クラツド光ファイバ４１０に再入来 することか妨げられる。

図８は、ポンプ源４４０か二重クラッド先ファイバ４１０の第１の端部４３０に 最も近く位置決めされる代替の実施例を示す。しかしながら、ポンプ源４４０は 第１の端部４３０に対してピグテールされない。むしろ、光は光線５００として 第１の端部４３０の方へ向けられる。光線はレンズ（図示せず）で第１の端部４ ３０上へ焦点を集められ得る。再び、ポンプ源４４０は、二重クラツド光ファイ バ４１０に対しである角度で位置決めされ、そのため光線かコア４２０と第１の クラッド４２２の開口数の間で規定されるアパーチャ窓内にある。

図９は、ポンプ源４４０が二重クラツド光ファイバ４１０の第２の端部４３２に 対しである角度で位置決めされるこの発明のさらに他の実施例を示す。ポンプ源 ４４０かある角度にあるので、第２の端部４３２から放出される光に干渉しない ように二重クラツド光ファイバ４１０の中央線から離れて位置決めされ得て、第 １のクラッド４２２の受入窓に残る。この実施例では、ポンプ光はサニヤック干 渉計から離れて伝搬し、そのためポンプ光が干渉計に入り、かつその動作に干渉 する可能性が実質的にない。さらに、サニヤック干渉計から戻る光は、それが非 反射的に放出される二重クラツド光ファイバ４１０の第１の端部４３０の方へ第 ２の端部４３２から伝搬する。こうして、干渉計からの光がポンプ源４４０に入 る可能性は実質的にない。

図１０は、広慴域光源６００が第１の端部６１２および第２の端部６１４を有す る二重クラッド蛍光光ファイバ６１０を含むこの発明のさらに他の実施例を示す 。二重クラッドファイバ６１０はポラロイド・コーポレーションから入手可能な 上記のファイバ４００と有利に同じである。光ポンプ光は、６利に５００ミリワ ツトスペクトラ・ダイオード・ラブダ（Ｓｐｅｃｔｒａ　Ｄｉｏｄｅ　Ｌａｂｓ ）　８１５ナノメートルレーザダイオードアレイであるダイオードアレイポンプ ６２０によって与えられる。好ましい実施例では、ダイオードアレイポンプ６２ ０は６５０　Ｍ　ａの電流で約３５０ミリワツトで動作され、かつ２．７５ナノ メートルの３Ｄｂ帯幅を有する光出力信号を与える。ダイオードアレイポンプ６ ２０の出力は第１の顕微鏡対物レンズ６２４によってコリメートされ、かつ狭帯 域ダイクロイックミラー６３０の上に向けられる。ダイクロイックミラー６３０ は８１５ナノメートルの波長を有する実質的にすべての光を反射するように選択 され、ポンプ光の波長はダイオードアレイポンプ６２０によって与えられる。ダ イクロイックミラー６３０はさらに、１０６０ナノメートルの波長を有する光を 実質的に透過するように選択される。

ダイクロイックミラーは、好ましくは、ポンプ光の伝搬の方向に対して４５度の 角度で配向され、そのためポンプ光は第２の顕微鏡対物レンズ６３４の方へ９０ 度の角度で反射される。第２の顕微鏡対物レンズ６３４はポンプ光を二重クラッ ドファイバ６１０の多モードコアに焦点を集める。ダイオードアレイポンプ６２ ０からファイバ６１０の多モードコアへの全体の結合効率は約５０％である。

上記のとおり、ファイバ６１０において伝搬するポンプ光は１０６０ナノメート ルの波長を有する光出力信号を発生する蛍光を引起こす。ファイバ６１０の第１ の端部６１２はある角度に切断され、そのため第１の端部６１２の方に伝搬する 信号の一部はファイバ６１０から非反射的に結合される。第２の端部６１４の方 へ伝搬する光信号の一部はファイバ６１０から結合され、かつ第２の顕微鏡対物 レンズ６３４を介してダイクロイックミラー６３０に達する。

ダイクロイックミラー６３０は１０６０ナノメートルで透過するので、１０６０ ナノメートル光信号はダイクロイックミラーを介して第３の顕微鏡対物レンズ６ ４０に達する。

第３の顕微鏡対物レンズは、第２の端部６５４を有する先ファイバ６５２の第１ の端部６５０上に光信号の焦点を集める。光ファイバ６５２は上記の方向性結合 器１２６の半体に形成される。方向性結合器１２６は光を光ファイバ１３０に結 合し、そのためそれは上記のとおり回転感知器ループ１４２に伝搬する。干渉計 ループ１４２から戻る光はそれが検出器１５０上に放出される場合、光ファイバ １３０の第１端部１３２に伝搬する。光出力信号を検出しかつ処理する光検出器 １５０およびプロセッサ１５４の動作が上で論じられてきた。

図１１は、結合器１２６か除去され、かつ干渉計出力信号が光ファイバ１３０か ら広帯域光源６００に直接結合される図１０の実施例から派生する発明のさらに 他の実施例を示す。干渉計からの出力信号は第３の顕微鏡対物レンズ６４０、ダ イクロイックミラー６３０、第２の顕微鏡対物レンズ６３４を通過し、二重クラ ッドファイバ６１０の第２の端部６〕４に達する。光検出器１５０は二重クラツ ド光ファイバ６１０の第１の端部６１２に最も近く位置決めされ、かつそれか光 ファイバ６１０を介して伝搬した後、光を受け取る。しかしなから、二重クラッ ト光ファイバ６１０はダイオードアレイポンプ６２０からのポンプ光によってポ ンプされるので、干渉計からの光出力信号は二重クラツド光ファイバ６１０内で 増幅される。こうして、図１１の実施例における光検出器１５０上に入射する光 は図１０の実施例における光検出器１５０上に入射する光よりもより大きい出力 を有する。

この出願と同日で出願された同時係属出願番号節□号（事件番号箱５ＴＡＮＦ、 ９４Ａ）においてより詳細に論じられているように、蛍光ファイバにおける利得 変調を防止するために、干渉計ループにおける位相変調の周波数はしきい置局波 数より上であるべきである。エルビウムドープされたファイバでは、利得変調は 約５００ＨｚないしＩＫＨｚまでの変調周波数としてはかなり高く、かつそれか ら急速に減少する。ネオジムの蛍光寿命は４０μＳｅＣのオーダてあり、約１０ 　１．５ｍｓであるエルビウムの寿命より短い。こうして、エルビウムドープさ れたファイバに対するしきい置局波数はネオジムドープされたファイバよりも小 さい。サニヤック干渉計ては、変調周波数は干渉計ループの長さに連結している （たとえば、米国特許第４，４１０，２７５号および第４．６７１，６５８号を 参照されたい）。長さｌｋｍのファイバループでは、変調周波数は約２００ＫＨ ｚである。このような周波数では、利得変調はエルビームドープされたファイノ ＼に対してほとんどゼロであり、かつネオジムドープされたファイバでは無視で きるぐらいである。

好ましくは、図１１の実施例では、光検出器１５０が光路に配向されるのは、光 検出器１５０上の光受取り表面が蛍光ファイバから出る光の光路に対しである角 度にあるようにである。こうして、光検出器１５０のこの表面によって反射され たいかなる光も光ファイバ６１０の第１端部６１２に再入来しないであろう。も しこのような光が光ファイバ６１０に再入来したならば、それは光検出器１５０ とループ１４２との間で共振空洞、この発明の実施例がそうでなければ回避する 効果を生むであろう。光検出器１５０が配向される角度はどのような反射された 光も光ファイバ６１０の開口数の外にあるように選択される。たとえば、約１． ユないし１．２の蛍光数を有する光ファイバ６１０ては、反射表面が配向される 角度は少なくとも６ないし７度の範囲になければならない。好ましい実施例では 、１０度の角度が光ファイハロ１０に入来する反射された光の可能性をさらに減 少するために利用される。

図１２および図１３は図３および図９にそれぞれ対応し、光検出器１５０は蛍光 光ファイバ２１０および４１０の各々の第１端部に移動されている。図１２およ び図１３の実施例の各々では、干渉計からの光出力信号が、光検出器１５０によ って検出されるべき増幅された光出力信号を与えるために、蛍光動作する光フア イバ内で増幅される。

当業者は、図４、図５および図８の実施例が、光出力信号が各実施例で二重クラ ツド光ファイバ４００を介し伝搬した後それらを受取るように光検出器１５０を 位置決めすることによって同様に修正されることを理解するであろう。

さらに、好ましい実施例は検出器出力が位相変調器を駆動するのに使用される閉 じたループ干渉計の観点から記述されたが、この発明は米国特許第４，７７９， ９７５号および第４，４１０，２７５号において開示されているような開いたル ープ干渉計において実施されてもよい。

不所望のレーザ発振の可能性が実質的に除去される改良された広帯域光源を前述 の実施例が説明することが理解され得る。こうして、光源によって発生された超 蛍光光の所望される広帯域および時間非コヒーレンス特徴が維持される。好まし い実施例と関連して上では述べられてきたが、発明の範囲内での修正は当業者に 明らかであり、すべてのこのような修正が添付の請求の範囲の範囲内にあるよう 意図されるということか理解されるべきである。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．干渉計であって、 光ループ（１３０）と、 光導波管（１１０）を含む光源（１２３）とを含み、前記光導波管（１１０）は ポンプ放射でのポンピングに応答して放出された広帯域光信号を放出する物質を 含み、前記光源（１２３）は前記光源（１２３）および前記光ループ（１３０） との間に延在する接続光路に沿って前記光ループ（１３０）に前記放出された光 信号を導入し、前記干渉計は、前記ループ（１３０）が戻り広帯域光信号を与え るための前記接続光路に沿って前記放出された光信号を含む光の少なくとも一部 を前記光源（１２３）に戻し、前記光源（１２３）は前記戻り光信号が前記ルー プ（１３０）に反射され戻されることを防ぐために前記戻り光信号に対して非反 射性である干渉計。 ２．前記光源（１２３）は、前記ポンプ光が前記放出された光信号のそれと反対 の方向に前記導波管（１１０）において伝搬するように前記物質を光学的にポン プするために結合されたポンプ光の源（１２０）を含む、請求項１に記載の干渉 計。 ３．前記導波管（１１０）はクラッドに囲まれたコアを有する光ファイバを含み 、かつ前記光源（１２３）は前記クラッドに光を導入するために結合されたポン プ光の光源（１２０）を含む、請求項１または２に記載の干渉計。 ４．前記光ファイバは第１の受入れ領域に対応する第１の開口数を有し、かつ前 記クラッドは第２の受入れ領域に対応する第２の開口数を有し、前記受人れ領域 はそれらの間のアパーチャ窓を規定し、前記ポンプ源（１２０）は前記アパーチ ャ窓にポンプ光を受人する、請求項３に記載の干渉計。 ５．前記放出された光信号と前記戻り光信号の両方が偏光器（１６０）を通過す るように前記接続路において位置決めされる前記偏光路（１６０）をさらに含む 、先行の請求項のいずれかに記載の干渉計。 ６．前記クラッドは非円形断面を有する、請求項４に記載の干渉計。 ７．前記断面は長方形である、請求項６に記載の干渉計。 ８．前記光ファイバの前記コアは単一モードであり、かつ前記クラッドは多モー ドである、請求項３に記載の干渉計。 ９．前記光ファイバ（１１０）はネオジムがドープされる、請求項３ないし請求 項８のいずれかに記載の干渉計。 １０．前記光ループ（１３０）は２つの偏光モードを有する光導波管を含み、前 記放出された光信号は前記ループ（１３０）の長さを横切った後前記モード間の 伝搬時間差より著しく少ないコヒーレンス時間を有する、請求項１に記載の干渉 計。 １１．前記戻り光信号の少なくとも一部分は前記導波管（１１０）を通り伝搬し 、かつその端部において前記導波管（１１０）から出る、請求項１に記載の干渉 計。 １２．前記戻り光信号の前記部分を検出するための光検出器（１５０）をさらに 含み、前記光検出器（１５０）は前記導波管（１１０）の前記端部に配置され、 かつそこに入射する光が前記ループ（１３０）に反射され戻されるのを防ぐよう に配列される、請求項１に記載の干渉計。 １３．前記導波管（１１０）は蛍光光ファイバを含む、先行の請求項のいずれか に記載の干渉計。 １４．前記導波管（１１０）は縦軸および少なくとも１つの端部を含み、かつ前 記ポンプ放射は前記光導波管（１１０）の縦軸に対する角度で前記導波管（１１ ０）の前記第１端部に入力される、先行の請求項のいずれかに記載の干渉計。 １５．光源（１２３）および光感知ループ（１３０）を有するサニャック干渉計 を動作する方法であって、前記光源（１２３）は光を放出するであろう物質を含 む光導波管（１１０）を含み、前記感知ループ（１３０）は前記光導波管（１１ ０）からの光を受取るように結合され、前記方法は、 広帯域光を放出するために光導波管（１１０）をポンプするように前記光導波管 （１１０）にポンプ放射を入力するステップと、 放出された光を光源（１２３）から光感知ループ（１３０）の方に伝搬するステ ップと、 前記干渉計における放出された光の光学共振を防ぐために放出された光をループ （１３０）に戻すことなく、光源（１２３）の方に光感知ループ（１３０）から 放出された光を伝搬するステップとによって特徴付けられる方法。 １６．前記導波管（１１０）は第１の端部（１１２）および第２の端部（１１４ ）を含み、前記放出された光は前記第１の端部（１１２）から放出され、かつポ ンプ放射を入力するステップは導波管（１１０）の前記第２の端部（１１４）と 感知ループ（１３０）との間の位置で導波管（１１０）に光ポンプエネルギを結 合するステップを含む、請求項１５に記載の方法。 １７．増幅された光を与えるために導波管（１１０）を介して光源（１２３）に ループ（１３０）から伝搬する放出された光を通すステップをさらに含み、かつ 増幅された光を検出するステップをさらに含む、請求項１５ないし請求項１６の いずれかに記載の方法。 １８．ポンプ放射を入力するステップは、前記導波管（１１０）の１つの端部で ポンプ放射の伝搬の方向が前記導波管（１１０）の端部から放出された光信号の 伝搬の方向に対するある角度であるように前記ポンプ放射を配向するステップを 含む、請求項１５ないし請求項１７のいずれかに記載の方法。