DE69013003T2

DE69013003T2 - Interferometer unter benutzung superfluoreszierender optischer quellen.

Info

Publication number: DE69013003T2
Application number: DE69013003T
Authority: DE
Inventors: Michel J. F. Palo Alto Ca 94306 Digonnet; Kenneth A. Sunnyvale Ca 94086 Fesler; John J. Gaviota Ca 93117 Fling; Byoung Y. 13-905 Woosung Apt. Songpa-Ku Seoul Kim; Herbert J. Stanford Ca 94305 Shaw
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-08-31
Also published as: JP2552583B2; EP0489847A1; JPH05500714A; CA2064719C; DE69013003D1; EP0489847A4; EP0489847B1; US5108183A; CA2064719A1

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit optischen Interferometern und ihren Bestandteilen und insbesondere mit dem Gebiet der Breitband-Lichtquellen für Interferometer, Rotationssensoren und dergleichen.
Ein Sagnac-Interferometer hat eine optische Schleife, typischerweise aus optischer Faser, die dazu verwendet wird, die Rotation eines Gegenstandes wahrzunehmen, an dem die Schleife angebracht ist. Kurz gesagt, arbeiten solche Interferometer durch Unterteilung der optischen Energie aus einer Lichtquelle in zwei im wesentlichen gleiche Lichtbündel, wobei man die Lichtbündel veranlaßt, die Schleife in entgegengesetzten Richtungen zu umlaufen. Die beiden Lichtbündel werden vereinigt, nachdem sie die Schleife durchlaufen haben, und die Änderungen der Intensität des kombinierten Lichts, die durch die Interferenz der beiden Bündel hervorgerufen wurde, wird wahrgenommen. Entsprechend dem bekannten Sagnac-Effekt verursacht die Drehung des Gegenstandes und damit der Faserschleife Änderungen in der relativen Phase zwischen Licht, das in den beiden Richtungen wandert, wodurch die wahrgenommene Intensität geändert wird. Die Rotationsdrehzahl der Schleife laßt sich aus den wahrgenommenen Änderungen der Intensität ermitteln. Siehe z. B. US-PS 4 410 275, 4 529 312, 4 637 722, 4 671 658, 4 687 330 und 4 836 676.
Hinsichtlich der Sagnac-Interferometer hat es sieh als vorteilhaft herausgestellt, eine Breitband-Lichtquelle zu verwenden, um das Licht zu erzeugen, das in die Schleife aus optischer Faser eingeführt wird. Siehe z. B. US-PS 4 637 025, in der eine superstrahlende Lichtquelle beschrieben ist. Die Lichtquelle nach der US-PS 4 637 025 arbeitet unter Einführung eines Pumpsignales in eine optische Einmodenfaser mit einem Kern, der mit einem aktiven fluoreszierenden Material gedopt ist, wie z. B. Neodym oder andere seltene Erden. Das Pumplicht hat eine ausreichende Intensität, um eine Verstärkung einer spontanen Emission von Photonen durch das fluoreszierende Material zu verursachen. Bei einer Ausführungsform (Figur 1) wird Pumplicht in die optische Faser durch eine Linse geführt. Bei der zweiten der beiden Ausführungsformen wird das Licht über durch dichroitische Linse eingeführt, die transparent ist für das Pumplicht und hoch reflektiv für das emittierte Licht. Das Pumplicht wird von dem fluoreszierenden Material absorbiert und hebt die darin enthaltenen Elektronen auf höhere Energiezustände, was zur Emission von Licht führt, wenn die Elektronen auf niedrigere Zustände zurückkehren. Wegen der Zufallsart, in der die spontanen Emissionen auftreten, ist das verstärkte emittierte Licht effizient spontan fluoreszenzierend und temporär inkohärent.
Die beiden Ausführungsformen nach der US-PS 4 637 025 erzeugen Licht, das in allen Richtungen im Kern der Faser emittiert wird. Ein Anteil des Lichts, das im Kern erzeugt wird, wandert direkt aus dem Ausgangsende der Faser hinaus. Ein zweiter Anteil des Lichts wandert gegen das Eingangsende der Faser. Bei der ersten Ausführungsform erreicht das Licht das Eingangsende der Faser. Obgleich das Eingangsende keinen Reflektor hat, wie bei der zweiten Ausführungsform, verursachen Oberflächen in der optischen Bahn einen Teil des erzeugten Lichts, zurück in die Faser reflektiert zu werden. Bei der zweiten Ausführungsform ist der dichroitische Reflektor vorgesehen, um speziell das erzeugte Licht, das gegen den Eingangsendabschnitt wandert, zurück gegen den Ausgangsendabschnitt zu reflektieren.
Kein Reflektor ist am Ausgangsende der Faser nach der US-PS 4 637 025 vorgesehen, so daß Laserschwingungen angeblich verhindert werden. Siehe z. B. Spalte 5, Zeilen 1 bis 5 der Patentschrift. Obgleich keine Absicht besteht, Laserschwingungen in einer solchen Lichtquelle zu unterstützen, wurde festgestellt, daß dann, wenn solche Lichtquellen in Kombination mit Sagnac-Interferometern verwendet werden, z. B. die optische Faserschleife des Interferometers wie ein Spiegel wirkt. Das heißt, daß das Licht, das in die Faserschleife eintritt, um die Schleife wandert, austritt und in der der Eintrittsrichtung entgegengesetzten Richtung wandert (d.h. zurück gegen die Lichtquelle). Ein Teil des anregenden Lichts tritt in die fluoreszierende optische Faser wieder ein. Der dichroitische Reflektor (Figur 2) des Eingangsendes der optischen Faser (Figur 1) reflektiert dieses zurückkomende Licht. Infolgedessen kann eine unbeabsichtigte Laserschwingung auftreten, und zwar wegen der Interaktion der Reflexion am Eingangsende der fluoreszierenden Faser und der "Reflexion", die von der optischen Faserschleife verursacht wird. Die Laserschwingungen sind für viele Anwendungen unakzeptabel.

ZUSAMMENFASSUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Interferometer mit einer Lichtquelle und einer optischen Schleife. Die Lichtquelle enthält einen optischen Wellenleiter aus einem Material, das ein breitbandiges optisches Signal als Reaktion auf Pumpen mit Pumpstrahlung emittiert. Die Lichtquelle führt das emittierte optische Signal in die optische Schleife ein, und zwar längs eines optischen Verbindungsweges zwischen der optischen Schleife und der Lichtquelle. Die Schleife führt mindestens einen Teil des Lichts, der das emittierte optische Signal enthält, zurück zur Lichtquelle, längs des optischen Verbindungspfades, um hierdurch ein zurückkehrendes breitbandiges optisches Signal hervorzubringen. Die Lichtquelle ist nicht-reflektierend für das rückkehrende optische Signal, wodurch verhindert wird, daß das zurückkehrende optische Signal zurück in die Schleife reflektiert wird. Durch Verhindern einer solchen Reflexion verhindert das Interferometer Resonanz zwischen der Quelle und der Schleife und verhindert eine wesentliche Verengung der Spektrallinienbreite.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Lichtquelle zusätzlich eine Pumplichtquelle, die so angeschlossen ist, daß sie optisch das Licht emittierende Material pumpt, so daß das Pumplicht im Wellenleiter in einer Richtung wandert, die derjenigen des emittierten optischen Signals entgegengesetzt ist. Der Wellenleiter hat eine optische Faser mit einem Kern, der von einer Umhüllung umgeben ist, und die Pumplichtquelle koppelt das Pumplicht in die Umhüllung. Die optische Faser hat eine erste numerische Apertur, die einem ersten Aufnahmebereich entspricht, und die Umhüllung hat eine zweite numerische Apertur, die einem zweiten Aufnahmebereich entspricht. Die Aufnahmebereiche definieren ein Aperturfenster zwischen ihnen, und die Pumpquelle führt das Pumplicht in das Aperturfenster am einen Ende der Faser ein. Bei einer Ausführungsform ist der Kern der optischen Faser kreisförmig und einmodig, während die Umhüllung reckteckig und mehrmodig ist. Die Faser ist mit Neodym oder einem anderen Licht-emittierenden Material gedopt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wandert das optische Signal durch den Wellenleiter und verlaßt ihn an seinem einen Ende. Ein Photodetektor ist an diesem Ende angeordnet, um das rückkehrende optische Signal wahrzunehmen. Er ist so angeordnet, daß er verhindert, daß auf ihn fallendes Licht zurück in die Schleife reflektiert wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält die optische Schleife einen optischen Wellenleiter mit zwei Polarisationsarten, und das emittierte optische Signal hat eine Kohärenzzeit, die merklich kleiner ist als der Laufzeitunterschied zwischen den Moden, nachdem sie die Schleife ganz durchwandert haben.
Die Erfindung schließt ein Verfahren zum Betrieb eines Interferometers ein, das eine Lichtquelle und eine optische Fühlschleife enthält. Nach diesem Verfahren wird Pumpstrahlung in einen optischen Wellenleiter geführt, um den optischen Wellenleiter zu pumpen, so daß er breitbandiges Licht emittiert. Das emittierte Licht der Lichtquelle wandert gegen die optische Fühlschleife, und Licht aus dieser wird zur Lichtquelle zurückgeführt, und zwar ohne zur Schleife zurückzukehren, wodurch eine optische Resonanz des emittierten Lichts im Interferometer verhindert wird. Vorzugsweise wird das Licht von einem ersten Ende des Wellenleiters emittiert, und die Pumpstrahlung wird in den Wellenleiter in Form optischer Energie eingekoppelt, und zwar an einer Stelle zwischen der Fühlschleife und dem zweiten Ende des Wellenleiters. Nach einer weiteren bevorzuugten Ausführungsform der Erfindung wird das emittierte Licht, das von der Schleife zu der Quelle wandert, durch den Wellenleiter geführt, wodurch verstärktes Licht geliefert und das verstärkte Licht wahrgenommen wird.
Ausführungsbeispiele mit weiteren Merkmalen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Figur 1 ist eine bildliche Darstellung einer herkömmlichen breitbandigen Lichtquelle.
Figur 2 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers.
Figur 3 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers und einer Breitband-Lichtquelle nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Figur 4 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers und einer Breitband-Lichtquelle nach einem weiteren Aspekt der Erfindung.
Figur 5 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers und einer Breitband-Lichtquelle nach einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung, wobei die Breitband-Lichtquelle eine doppelt umhüllte Neodym- gedopte optische Faser enthält.
Figur 6 ist ein Querschnitt einer doppelt umhüllten Neodym-gedopten optischen Faser nach Linie 6-6 in Figur 5.
Figur 7 zeigt im Querschnitt eine Nebeneinanderstellung einer doppelt umhüllten Neodym-gedopten optischen Faser und der mehrmodigen optischen Faser nach Figur 5.
Figur 8 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers und der Breitband-Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung und zeigt eine alternative Anordnung der Pumpquelle gegenüber der doppelt umhüllten Neodym-gedopten optischen Faser.
Figur 9 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers und der Breitband-Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung und zeigt eine weitere alternative Anordnung der Pumpquelle hinsichtlich der doppelt umhüllten Neodym-gedopten optischen Faser.
Figur 10 ist eine bildliche Darstellung eines herkömmlichen Sagnac-Interferometers in Kombination mit einer weiteren Ausführungsform einer Breitband- Lichtquelle nach der vorliegenden Erfindung, wobei das Pumpenlicht mit einer gedopten optischen Faser durch einen dichroitischen Spiegel gekoppelt ist.
Figur 11 ist eine bildliche Darstellung des Sagnac-Interferometers und der Breitband-Lichtquelle nach Figur 10, wobei der Photodetektor so angeordnet ist, daß er verstärktes Licht aus der gedopten optischen Faser erhält.
Figur 12 ist eine bildliche Darstellung des Sagnac-Interferometers und der Breitband-Lichtquelle nach Figur 3, wobei der Photodetektor so angeordnet ist, daß er verstärktes Licht aus der gedopten optischen Faser erhält.
Figur 13 ist eine bildliche Darstellung des Sagnac-Interferometers und der Breitband-Lichtquelle nach Figur 9, wobei der Photodetektor so angeordnet ist, daß er verstärktes Licht aus der gedopten optischen Faser erhält.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Breitband-Lichtquelle 100. Wie dargestellt, enthält die Lichtquelle 100 einen Wellenleiter mit einer optischen Faser 110, die ein erstes Ende 112 und ein zweites Ende 114 hat. Die optische Faser 110 ist fluoreszierend. Wird in die optische Faser 110 optische Energie innerhalb spezifizierter Bereiche optischer Wellenlängen hineingepumpt (genannt "die Absorbtionsbänder" der optischen Faser), so erzeugt die optische Faser 110 Ausgangslicht einer Wellenlänge, entsprechend der Wellenlänge der optischen Pumpenergie. Die optische Faser 110 hat einen Kern aus einem Wirtsglas, das mit einem aktiven fluoreszierenden Material gedopt ist, wie z. B. Neodym, das Licht mit Wellenlängen der Größenordnung von z.B. 0,82 mikrometer absorbiert. Die absorbierten Photonen der optischen Pumpenergie heben die Elektronen in dem aktiven Material auf höhere Engergiezustände. Kehren die Elektronen auf niedrigere Energiezustände zurück, so werden Photonen in charakteristischen Emissionsbändern oder Fluoreszenz- Wellenlängen emittiert. Zum Beispiel haben im Falle von Neodym die Emissionsbänder 1,06 mikrometer und 1,35 mikrometer. Die Übergänge durch die niedrigeren Energieniveaus zurück zum Ursprungszustand für spontane Emissionen erfolgen zufällig, wodurch die vom Pumplicht hervorgerufenen Photonen-Emissionen, zu verstärkter spontaner Fluoreszenz werden, wodurch das emittierte Licht temporär inkohärent wird.
Die Breitband-Lichtquelle 100 enthält außerdem eine Pumplichtquelle 120, z. B. eine Laserdiode oder dergleichen, die ein optisches Pumpsignal hervorbringt, das eine Wellenlänge innerhalb eines der Absorbtionsbänder der fluoreszierenden optischen Faser 110 hat, z. B. 0,82 mikrometer. Das von der Pumplichtquelle 120 erzeugte Licht wird in das erste Ende 112 der optischen Faser 110 durch eine Linse 122 oder dergleichen geführt, so daß das Pumplicht im fluoreszierenden Material im Kern der optischen Faser 110 wandert. Die Intensität des von der Pumplichtquelle 120 hervorgebrachten Lichts wird ausreichend groß gewählt, um eine Besetzungsumkehr der Elektronen in dem fluoreszierenden Material hervorzurufen. Hierdurch wird eine verstärkte spontane Emission von Licht aus dem fluoreszierenden Material unterstützt. Die fluoreszierende optische Faser 110 erhält eine ausreichende Länge, so daß im wesentlichen die gesamte optische Pumpergie von dem fluoreszierenden Material absorbiert wird und, falls überhaupt, wenig optische Pumpenergie vom zweiten Ende 114 der optischen Faser emittiert wird.
Die emittierte Lichtenergie hat eine hohe Strahlungsstärke gegenüber dem Licht, das von einer sogenannten superstrahlenden Licht emittierenden Diode (LED) erzeugt wird. Ferner hat das emittierte Licht eine Wellenlängenverteilung, die breiter ist als der charakteristische Spektrallinienausgang einer Laserdiode. Es hat eine niedrige, zeitweise Kohärenz und eine Hauptwellenlänge, die im allgemeinen unabhängig von der Temperatur ist.
Das emittierte Licht wird in allen Richtungen innerhalb des fluoreszierenden Materials im Kern der fluoreszierenden optischen Faser 110 erzeugt. Der Anteil des Lichts, der zu Anfang in der allgemeinen Richtung zum zweiten Ende 114 wandert, (hier als vorwärts wanderndes Licht bezeichnet) wird vom zweiten Ende als Breitband-Ausgangssignal emittiert.
Figur 2 zeigt ein herkömmliches Sagnac-Interferometer 102 mit einer Lichtquelle 123 (typischerweise eine superlumineszierende Diode), die mit einer optischen Faser 125 gekoppelt ist. Licht aus der Quelle 123 wird in das Sagnac-Interferometer 102 z. B. dadurch geführt, daß die optische Faser 125 in die eine Hälfte eines ersten Richtungskopplers 126 eingeformt wird. Der Richtungskoppler ist vorzugsweise nach der US-PS 4 536 058 oder dergleichen konstruiert. Die zweite Hälfte des ersten Richtungskopplers umgibt eine optische Faser 130 mit einem ersten Ende 132 und einem zweiten Ende 134. Der erste Richtungskoppler 126 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er etwa 50 % des Lichts aus der fluoreszierenden optischen Faser 110 zur optischen Faser 130 im Sagnac-Interferometer 102 koppelt.
Zusätzlich zu dem Koppler 126 enthält das Sagnac-Interferometer einen zweiten Richtungskoppler 140, der einen Abschnitt der optischen Faser 130 in eine Schleife 142 zwischen den beiden Enden 132 und 134 formt. Die Schleife 142 arbeitet als Fühler des Interferometers 102. Der zweite Richtungskoppler 140 ist vorzugsweise in der gleichen Weise ausgebildet wie der erste Richtungskoppler 126 und ist ebenfalls vorzugsweise ein 50-Prozent-Koppler, so daß etwa 50 % des von der Lichtquelle 123 in die optische Faser 130 gekoppelten Lichts durch die Schleife 142 in einer ersten Richtung (im Uhrzeigersinn in Figur 2) strömt und etwa 50 % durch die Schleife 142 in einer zweiten, der Gegenrichtung (entgegen dem Uhrzeigersinn in Figur 2) strömt. Das durch die Schleife 142 stömende Licht wird vom zweiten Richtungskoppler 140 rekombiniert. Das rekombinierte Lichtsignal strömt zurück zum ersten Richtungskoppler 126. Etwa 50 % des Lichts ist vorhanden als Ausgangssignal am ersten Ende 132 der optischen Faser 130. Die anderen 50 % werden zurückgekoppelt zur Lichtquelle 123.
Das Ausgangssignal vom ersten Ende 132 wird von einem Detektor 150 wahrgenommen, der ein elektrisches Ausgangssignal in eine Leitung 152 zu einem Prozessor 154 führt. Der Prozessor 154 verarbeitet das elektrische Ausgangssignal und liefert ein errechnetes Ausgangssignal Omega an einen Bus 156. Das Ausgangssignal entspricht der Richtung und Umlaufzahl, mit der die Schleife 142 gedreht wird. Die Arbeitsweise von Sagnac- Interferometern ist bekannt und wird hier nicht detailliert diskutiert. Der Fachmann erkennt, daß zusätzliche Komponenten häufig dazu verwendet werden, die Arbeitsweise solcher Interferometer zu verbessern. Z. B. enthält das Sagnac-Interferometer 102 nach Figur 2 ferner einen Phasenmodulator 158, der vom Prozessor 154 betrieben wird und eine Phasenmodulation in die gegenläufigen Sichtsignale innerhalb der Schleife 142 führt. Hierdurch wird es ermöglicht, das elektrische Ausgangssignal synchron zu demodulieren. Ein Beispiel eines Sagnac-Interferometers dieser Art ist in den US-PS 4 671 658 und 4 881 817 offenbart. Andere Komponenten, wie ein Polarisator 160, der an der optischen Faser 130 zwischen dem ersten Richtungskoppler 126 und dem zweiten Richtungskoppler 140 liegt, werden auch vorteilhafterweise in vielen Anwendungen benutzt. Der Fachmann erkennt auch, daß Teile des Sagnac-Interferometers 102 vorteilhafterweise unter Verwendung integrierter optischer Komponenten oder von handelsüblicher optischer Komponenten konstruiert werden können.
Die Breitband-Lichtquelle 110 nach Figur 1 kann verwendet werden anstelle der Lichtquelle 123 des Interferometers 102, um diesem breitbandiges Licht zuzuführen. Dies läßt sich dadurch bewerkstelligen, daß man entweder das zweite Ende 114 der Faser 110 mit dem Eingangsende der Faser 125 koppelt, oder daß man die Faser 110 in die eine Hälfte des ersten Richtungskopplers 126 einbettet. Das in der fluoreszierenden optischen Faser 110 erzeugte Licht, das gegen das erste Ende 112 strömt (hier als rückwärts strömendes Licht bezeichnet), wird im allgemeinen vom ersten Ende 112 gegen die Pumpquelle 120 emittiert. Da jedoch das erste Ende 112 im allgemeinen entweder glatt und eben ist oder glatt und sphärisch (wie in der US-Patentschrift 4 637 025 beschrieben), so wirkt das erste Ende 112 als teilweiser Reflektor des rückwärts strömenden Lichts und reflektiert es zurück gegen das zweite Ende 114 der optischen Faser 110. Ferner haben die Linse und die Pumpquelle Licht-reflektierende Oberflächen. Das reflektierte Licht wird ebenfalls in das Sagnac-Interferometer 102 geführt. In der US-PS 4 637 025 wurde es als wünschenswert hingestellt, daß rückwärts strömende Licht zu reflektieren. Zum Beispiel ist in Figur 2 dieser Patentschrift eine Ausführungsform offenbart, bei der ein dichroitischer Reflektor am ersten Ende 112 gebildet wird, so daß im wesentlichen das ganze rückwärts strömende emittierte Licht gegen das zweite Ende 114 reflektiert wird.
Die Anmelder haben entdeckt, daß die Reflexion des rückwärts strömenden Lichts bei vielen Anwendungen unerwünscht ist. Insbesondere liefert die Schleife 142 denselben Effekt wie ein Spiegel, und bis zu 50 % des in das Sagnac-Interferometer 102 geführten Lichts, das um die Schleife 142 strömt, zurück zur Lichtquelle gekoppelt werden kann. Wird die Lichtquelle nach Figur 1 in dem Interferometer nach Figur 2 verwendet, so reflektiert sie einen Anteil dieses Lichts, so daß es wiederum rückwärts gegen die Interferometer-Schleife strömt. Man sieht, daß die Quelle der Figur 1 und die Schleife der Figur 2 als die beiden Spiegel eines Resonanzhohlraumes wirken. Es kann daher Resonanzlasern (resonant lasing) auftreten, und die Erzeugung von unerwünschtem, zeitweise kohärentem Laserlicht verursachen.
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Breitband-Lichtquelle, die verhindert, daß Resonanzlasern auftrifft, und zwar dadurch, daß die Reflexion von Licht am einen Ende einer fluoreszierenden optischen Faser eliminiert wird. Bei dieser Ausführungsform wird dieselbe Grund-Konfiguration verwendet wie beim Sagnac-Interferometer nach Figur 2. Es wird die optische Faser 130 mit ihrem ersten Ende 132 und ihrem zweiten Ende 134 mit verwendet. Die grundlegende Wirkungsweise des Sagnac-Interferometers nach Figur 3 ist im wesentlichen die oben beschriebene.
Wie Figur 3 zeigt, enthält eine Lichtquelle 200 eine fluoreszierende optische Faser 210, die vorteilhafterweise einen Neodym-gedopten Kern hat, wie oben beschrieben, oder einen mit einer seltenen Erde wie Erbium gedopten Kern. Die fluoreszierende optische Faser hat ein erstes Ende 212 und ein zweites Ende 214. Die Lichtquelle 200 enthält ferner die Pumpquelle 120, die mit dem zweiten Ende 214 der fluoreszierenden optischen Faser gekoppelt ist, z. B. unter Verwendung der Linse 122. Das Pumplicht, das in die fluoreszierende optische Faser 210 geführt wird, wandert also vom zweiten Ende 114 zurück gegen das erste Ende 212. Das Sagnac-Interferometer ist mit der Lichtquelle 200 über einen Koppler 220 gekoppelt, der auf die fluoreszierende optische Faser 110 geformt ist, und zwar in der Nähe von deren zweitem Ende 214 und ist auf die optische Faser 130 in der Nähe ihres ersten Endes 132 geformt. Anders als der Koppler 126 in Figur 2 ist der Koppler 220 nach Figur 3 ein Multiplexkoppler. Wie z. B. in der US-PS 4 556 279 beschrieben ist, ist der Multiplexkoppler 220 so aufgebaut, daß er verschiedene Prozentsätze von Licht zwischen den beiden Kopplerhälften entsprechend der Wellenlänge des Lichts koppelt. Zum Beispiel ist der Multiplexkoppler 220 so konstruiert, daß im wesentlichen alles Licht, das in die optische Faser 230 mit der Wellenlänge des Pumpsignals (z. B. 0,82 mikrometer) eingeführt wird, nicht gekoppelt wird und in der fluoreszierenden optischen Faser 210 verbleibt, um den oben beschriebenen Fluoreszenzeffekt hervorzubringen. Andererseits sorgt der Multiplexkoppler 220 dafür, daß etwa 50 % des Fluoreszenzlichts, das in der fluoreszierenden optischen Faser 210 erzeugt wird und in der Vorwärtsrichtung gegen das zweite Ende 214 wandert, von der fluoreszierenden optischen Faser 210 zur optischen Faser 130 gekoppelt wird. Das gekoppelte Licht wandert in der optischen Faser 130 zum Richtungskoppler 140 und damit zur Schleife 142 des Sagnac-Interferometers. Bei der bevorzugten Ausführungsform enthält die Schleife 142 einen Wellenleiter (z. B. eine optische Faser), der zwei Polarisationsmodi aufweist, die Licht unter verschiedenen Geschwindigkeiten befördern, so daß das Licht, das die Schleife im einen Modus durchläuft, eine andere Laufzeit hat als das Licht, das die Schleife in dem anderen Modus durchläuft. Vorzugsweise ist der Laufzeitunterschied merkbar größer als die Kohärenzzeit des Lichteintritts in die Schleife.
Das erste Ende 212 der fluoreszierenden optischen Faser 210 ist speziell so geformt, daß es Reflexionen am ersten Ende 212 ausschließt. Zum Beispiel deutet in Figur 3 eine schräge Linie durch das erste Ende 212 an, daß dieses erste Ende unter einem Winkel (von z. B. 15º) abgeschnitten wurde, so daß Licht, das zum ersten Ende strömt, vom ersten Ende nicht-reflektierend emittiert wird. Daher wird praktisch kein Licht, das gegen das erste Ende 212 wandert gegen das zweite Ende 214 zurück-reflektiert.
Der Detektor 150 ist in der Nähe des ersten Endes 132 der optischen Faser 130 angeordnet, so daß er Licht, emittiert vom ersten Ende, aufnimmt. Ein Filter 240 ist vorteilhafterweise zwischen dem ersten Ende 132 und dem Detektor 240 angeordnet. Der Zweck des Filters 240 wird unten kurz erläutert.
Das Pumplicht, das der floureszierenden optischen Faser 210 zugeführt wird, regt die Emission von breitbandigem Licht an, wie oben im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert wurde. Die Intensität des Pumplichts wird so gewählt, daß sie zur Erzeugung einer Besetzungsumkehr der Elektronen in dem floureszierenden Material ausreicht. Dadurch unterstützt sie eine verstärkte spontane Emission von Licht aus dem fluoreszierenden Material. Die Lange der fluoreszierenden optischen Faser 210 wird ausreichend groß gewählt, so daß im wesentlichen die gesamte optische Pumpenergie vom fluoreszierenden Material absorbiert wird und, wenn überhaupt, wenig optische Pumpenergie vom ersten Ende 212 der optischen Faser 210 emittiert wird. Da jedoch das erste Ende 212 nicht- reflektierend ausgebildet ist, ist dies kein unabdingbares Erfordernis.
Das rekombinierte Licht, das von dem Sagnac-Interferometer zurückkehrt, strömt zum Multiplexkoppler 220 zurück, wo 50 % des rekombinierten Lichts auf die fluoreszierende optische Faser 210 gekoppelt wird, strömt zum ersten Ende 212 und wird von diesem nicht-reflektierend emittiert. Die anderen 50 % des rekombinierten Lichts verbleiben in der optischen Faser 130 und strömen zum ersten Ende 132, wo sie emittiert werden. Das emittierte Licht läuft durch das Filter 240 zum Detektor 150, wo es wahrgenommen wird und wo ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird, das verarbeitet wird, wie es oben beschrieben wurde. Obgleich der Multiplexkoppler 220 vorzugsweise so aufgebaut ist, daß im wesentlichen kein Teil des Lichts von der Pumpquelle 120 zu der optischen Faser 130 gekoppelt wird, ist das Filter 240 eingebaut, um jegliches Pumplicht herauszufiltern, das gekoppelt werden kann. Für das Filter 240 sind optische Charakteristika ausgewählt, so daß im wesentlichen alles Licht der Pumplichtwellenlänge (z. B. 0,82 mikrometer) blockiert wird, und daß im wesentlichen alles Licht im Emissionsband (z. B. 1,06 mikrometer) durch das Filter 240 zum Detektor 150 übertragen wird.
Durch das nicht-reflektierend ausgestaltete Ende 212 der fluoreszierenden optischen Faser 210 verbleibt keine Möglichkeit zur Erzeugung eines Resonanzhohlraumes, der Laserschwingungen unterstützt. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Aufrechterhaltung der breitbandigen, temporär inkohärenten Charakteristika des Lichts, das in das Sagnac- Interferometer von der Breitband-Lichtquelle 200 gespeist wird und bei der Verhinderung einer spektralen Einengung des Lichts, das im Interferometer wandert.
Bei der Ausführungsform nach Figur 3 kann ein Anteil des von der Pumpquelle 120 emittierten Lichts unerwünschterweise durch den Multiplexkoppler 220 zur optischen Faser 130 gekoppelt werden. Es besteht die Möglichkeit, daß das Pumplicht die Arbeit des Detektors 150 stört.
Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der der Detektor 150 gegenüber dem Pumplicht wirksam isoliert ist. Wie bei Figur 3 ist das Sagnac-Interferometer an eine Breitband-Lichtquelle 300 gekoppelt. Die Breitband- Lichtquelle 300 enthält eine fluoreszierende optische Faser 310 mit einem ersten Ende 312 und einem zweiten Ende 314. Die Faser 310 hat die oben beschriebenen Charakteristika. Ein erster Multiplexkoppler 320 ist an die fluoreszierende optische Faser 310 geformt, so daß er diese Faser mit einer optischen Faser 330 koppelt. Die Faser 330 hat ein erstes Ende 332 und ein zweites Ende 334. Die Pumplichtquelle 120 ist so angeordnet, daß sie Licht in das zeite Ende 314 der fluoreszierenden optischen Faser 310 durch die Linse 122 eingibt, wie oben beschrieben wurde. Der Multiplexkoppler 320 ist so aufgebaut, daß im wesentlichen nichts von dem Pumplicht von der fluoreszierenden optischen Faser 310 zu der optischen Faser 330 gekoppelt wird. Im wesentlichen wandert das gesamte Pumplicht daher gegen das erste Ende 312 und wird von dem fluoreszierenden Material in der Faser 310 absorbiert. Das erste Ende der fluoreszierenden optischen Faser 310 ist nicht-reflektierend ausgebildet (z. B. durch Abschneiden unter einem Winkel von z. B. 15º), so daß im wesentlichen das ganze Pumplicht und im wesentlichen das ganze emittierte Licht, die gegen das erste Ende 312 strömen, dort austreten. Der Multiplexkoppler 320 ist ferner so aufgebaut, daß er im wesentlichen 100 % Kopplung bei der Emissionswellenlänge (z. B. 1,06 mikrometer) der fluoreszierenden optischen Faser 310 herbeiführt, so daß das gegen das zweite Ende 314 wandernde emittierte Licht von der fluoreszierenden optischen Faser 310 zu der optischen Faser 330 gekoppelt wird. Infolgedessen wird im wesentlichen nichts von dem Licht im Emissionsband zur Pumpquelle 120 strömen.
Die erste Hälfte des ersten Richtungskopplers 126 ist auf die optische Faser 330 geformt. Die zweite Hälfte des ersten Richtungskopplers ist auf die optische Faser 130 geformt. Der erste Richtungskoppler 126 ist so ausgebildet, daß er etwa 50 % des Lichts in der optischen Faser 330 zur optischen Faser 130 im Sagnac-Interferometer koppelt. Der 50-Prozent-Anteil des Lichts, der auf die optische Faser 130 gekoppelt wird, wandert zum zweiten Richtungskoppler 140 und ist auf diese Weise auf die Schleife 142 des Sagnac-Interferometers gekoppelt.
Das rekombinierte Licht aus dem Koppler 140 des Sagnac-Interferometers strömt zurück zum ersten Richtungskoppler 126. Etwa 50 % des Lichts bleibt in der optischen Faser 130 und wird aus dem ersten Ende 132 zu dem Detektor 150 emittiert. Die anderen 50 % des rekombinierten Lichts werden zu der optischen Faser 330 gekoppelt und wandern zurück zum Multiplexkoppler 320, wo sie zu der fluoreszierenden optischen Faser 310 gekoppelt werden und zu dem nicht-reflektierenden ersten Ende 312 strömen und von diesem Ende abgegeben werden. Wiederum ist das erste Ende 312 nicht-reflektierend ausgebildet, so daß die Bildung eines Resonanzhohlraumes vermieden wird.
Wie dargestellt, ist der Detektor 150 nahe dem ersten Ende 132 der optischen Faser 130 angeordnet. Es besteht praktisch keine Wahrscheinlichkeit, daß irgendein Anteil des Pumplichts den Detektor 150 erreicht, wenn die Pumpquelle 120 wie dargestellt angeordnet wird. Daher besteht kein Bedarf für ein Filter zwischen dem ersten Ende 132 und dem Detektor 150.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Interferometer ist im wesentlichen wie oben beschrieben ausgebildet. Das Interferometer ist mit einer Breitband-Lichtquelle 400 über den ersten Richtungskoppler 126 verbunden. Der Richtungskoppler 126 koppelt die optische Faser 130 an eine optische Faser 402 mit einem ersten Ende 404 und einem zweiten Ende 406.
Die Breitband-Lichtquelle 400 beinhaltet eine doppelt umhüllte fluoreszierende optische Faser 410, wie sie von der Polaroid-Corporation erhältlich ist. Die doppelt umhüllte optische Faser 400 ist in mehr Einzelheiten in einem Querschnitt in Figur 6 gezeigt. Wie dargestellt, enthält die doppelt umhüllte optische Faser 410 einen inneren Kern 420 der Silika-Glas enthält, gedopt mit etwa 0,5 Gewichtsprozent von Nd&sub2;O&sub3; und 3,8 Gewichtsprozent von AL&sub2;O&sub3;. Der Kern 420 hat eine numerische Apertur von 0,16. Der Kern 420 hat einen Durchmesser von etwa 4,8 mikrometer und ist umgeben von einer ersten Umhüllung 422 von etwa rechteckiger Form (z. B. zwei im wesentlichen parallele Seiten verbunden durch leicht abgerundete Enden, wie dargestellt). Die erste Umhüllung 422 hat etwa rechteckige Abmessungen von 110 mikrometer x 45 mikrometer, wodurch sich ein Verhältnis der ersten Umhüllungsfläche zur Kernfläche von etwa 274 ergibt. Die erste Umhüllung 422 enthält im wesentlichen Silika (SiO&sub2;). Die erste Umhüllung 422 ist umgeben von einer zweiten Umhüllung 424, die eine erste Pufferschicht bildet. Die zweite Umhüllung 424 enthält einen weichen Fluro-Polymer mit einem Brechungsindex von etwa 1,39. Die numerische Apertur zwischen der ersten Umhüllung 422 und der zweiten Umhüllung 424 beträgt etwa 0,4. Die zweite Umhüllung 424 ist von einer zweiten oder äußeren Pufferschicht 426 umgeben, die einen handelsüblichen harten Polymer zum Schutz der doppelt umhüllten optischen Faser 410 aufweist.
Die erste Umhüllung 422 wirkt als Multimodus-Kern der doppelt umhüllten optischen Faser 410. Wie unten ausgeführt wird, nimmt der Multimodus-Kern (d.h. die erste Umhüllung 422) Licht auf, das unter solch einem Winkel zugeführt wird, daß es nicht von dem inneren Kern 420 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 angenommen wird. In ähnlicher Weise kann Licht in die erste Umhüllung 422 in solcher Lage eingeführt werden, daß es nicht in den inneren Kern 420 eindringt.
Wie Figur 5 zeigt, hat die doppelt umhüllte optische Faser 410 ein erstes Ende 430 und ein zweites Ende 432, die beide dadurch nicht-reflektierend ausgebildet sind, daß sie unter Winkeln (z. B. beide unter etwa 15º) abgeschnitten sind. Das zweite Ende 432 ist nahe dem ersten Ende 404 der optischen Faser 402 im Interferometer angeordnet. Eine (nicht dargestellte) Linse kann vorzugsweise dazu verwendet werden, Licht vom zweiten Ende 432 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 zum ersten Ende 404 der optischen Faser 402 zu richten. Auf diese Weise wird 50 % des Lichts, das von der Breitband- Lichtquelle 400 erzeugt wird, zum Sagnac-Interferometer gekoppelt.
Das erste Ende 430 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 ist so angeordnet, daß es Pumplicht von der Pumpquelle 440 aufnimmt. Bei der Ausführungsform nach Figur 5 enthält die Pumpquelle 440 eine Diodenanordnung 424, z. B. eine phasengesteuerte Anordnung wie GaAlAs und eine Mehrmodenfaser 444. Die Mehrmodenfaser 444 hat ein erstes Ende 446 und ein zweites Ende 448. Die Dioden-Anordnung 442 führt Licht in das erste Ende 446 ein. Das Licht wandert zum zweiten Ende 448. Das zweite Ende 448 der Mehrmodenfaser 444 ist angeschlossen an die doppelt umhüllte optische Faser 410, so daß das Licht in diese gekoppelt wird. Dies ist deutlicher in Figur 7 dargestellt, die einen Querschnitt der Verbindungsstelle zwischen den beiden Fasern 410 und 444 darstellt.
Wie Figur 7 zeigt, hat die Multimodusfaser 444 einen Kern 450 und eine Umhüllung 452. Die Multimodusfaser 444 stößt an das unter einem Winkel abgeschnittene erste Ende 430 der doppelt umhüllten optischen Faser 410, so daß der Kern 450 der ersten Umhüllung 422 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 gegenüberliegt. Daher tritt das von der Vielmodenfaser abgegebene Licht in die erste Umhüllung 422 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 ein und beginnt sich dort auszubreiten. Da das Licht in die doppelt umhüllte optische Faser 410 unter einem Winkel eintritt, wird das Licht nicht vom Kern 420 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 geleitet, sondern durchquert den Kern 420 wiederholt. Während das Licht den Kern 420 durchquert, wird es von der Neodym-Dopierung absorbiert, wobei die Elektronen darin angeregt werden, wie oben beschrieben. Dies hat eine Superfluoreszierung und die Emission von breitbandigem Licht in den Kern 420 zur Folge. Das emittierte breitbandige Licht wandert zum zweiten Ende 432 der doppelt umhüllten optischen Faser 410, wo es an das Sagnac- Interferometer gekoppelt wird. Der Winkelschnitt des zweiten Endes 432 verhindert die Reflexion von Teilen des emittierten Lichts zurück zum ersten Ende 430. Ebenso verhindert der Winkelschnitt am ersten Ende 430, daß das Zurückwandern des Lichts gegen das zweite Ende 432 reflektiert wird. Infolgedessen besteht indessen keine Wahrscheinlichkeit der Erzeugung eines Resonanzhohlraumes, der Laserschwingungen unterstützen würde. Die Breitbandeigenschaften des superfluoreszierenden Ausgangssignals werden dadurch aufrecht erhalten.
Nach Figur 5 und 7 wird das Pumplicht aus der Multimodefaser 444 in die doppelt umhüllte optische Faser 410 unter einem solchen Winkel eingeführt, daß es in ein Aperturfenster zwischen der numerischen Apertur des Kerns und der numerischen Apertur der Umhüllung eingeführt wird, d.h. der Winkel der Multimodefaser 444 gegenüber der doppelt umhüllten optischen Faser 410 ist ausreichend größer als der Akzeptanzwinkel des Kerns 420, so daß das Licht nicht in den Kern 420 geführt wird. Andererseits ist der Winkel zwischen der Multimodefaser 444 und der doppelt umhüllten optischen Faser 410 ausreichend kleiner als der Akzeptanzwinkel der ersten Umhüllung 422, so daß das Licht innerhalb der ersten Umhüllung 422 geführt wird und den Kern 420, wie oben beschrieben, durchquert. Mit anderen Worten: Das Licht wird in die doppelt umhüllte optische Faser 410 außerhalb der numerischen Apertur des Kerns 420 und innerhalb der numerischen Apertur der ersten Umhüllung 422 eingeführt. Bei der doppelt umhüllten optischen Faser 410, deren Kern eine numerische Apertur von etwa 0,16 hat und einer ersten Umhüllung mit einer numerischen Apertur von etwa 0,40, entspricht das Fenster oder das Aufnahmefenster einem Winkelbereich von mehr als etwa 8º und weniger als etwa 23º. Zum Beispiel wird bei der speziellen Ausführungsform der Erfindung Licht unter einem Winkel von 15º zugeführt, also gut innerhalb des Akzeptanzfensters für die erste Umhüllung 422.
Nach Figur 7 ist der Kern 450 der optischen Mehrmodenfaser 444 versetzt gegenüber dem inneren Kern 420 der doppelt umhüllten optischen Faser 410, so daß das Licht nur in den Multimodekern (d.h. die erste Umhüllung 422) der doppelt umhüllten optischen Faser 410 eintritt. Darüberhinaus sind die beiden Fasern so angeordnet, daß ihre Langsachsen miteinander einen Winkel von z. B. etwa 15º einschließen, so daß das Licht sich nur innerhalb des Akzeptanzfensters des Mehrmodenkerns (d.h. der ersten Umhüllung 422) der doppelt umhüllten optischen Faser 410 befindet. Das Pumplicht der Mehrmodenfaser 444 wird daher nicht von dem inneren Kern 420 aufgenommen. Diese beiden Verfahren nicht daran zu hindern, den inneren Kern 420 zu erreichen (d.h. Anordnung der beiden Fasern unter einem Winkel und Verschieben der beiden inneren Kerne gegeneinander), können gemeinsam angewandt werden, oder, wie dargestellt, getrennt. Das Versetzen der beiden inneren Kerne hat den weiteren Vorteil, daß fluoreszierendes Licht, das innerhalb des inneren Kerns 420 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 erzeugt wird, nicht auf den inneren Kern 450 der optischen Mehrmodenfaser 444 gekoppelt wird. Dies schließt aus, daß Licht am ersten Ende 448 der optischen Mehrmodenfaser 440 reflektiert wird und wieder in die doppelt umhüllte optische Faser 410 eintritt.
Figur 8 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der die Pumpquelle 440 nahe dem ersten Ende 430 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 angeordnet ist. Jedoch ist die Pumpquelle 440 nicht mit dem ersten Ende 430 verbunden. Vielmehr wird das Licht gegen das erste Ende 430 als Bündel 500 geführt. Das Bündel kann auf das erste Ende 430 mit Hilfe einer (nicht dargestellten Linse) fokusiert werden. Wiederum ist die Pumpquelle 440 unter einem Winkel gegenüber der doppelt umhüllten optischen Faser 410 angeordnet, so daß das Bündel innerhalb eines Aperturfensters liegt, definiert als zwischen den numerischen Aperturen des Kerns 420 und der ersten Umhüllung 422.
Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Pumpquelle 440 unter einem Winkel gegenüber dem zweiten Ende 432 der doppelt umhüllten optischen Faser 410 angeordnet ist. Da die Pumpquelle 440 unter einem Winkel angeordnet ist, kann sie abseits der Mittellinie der doppelt umhüllten optischen Faser 410 angeordnet werden, so daß sie das vom zweiten Ende 432 abgegebene Licht nicht stört, während sie innerhalb des Akzeptanzfensters der ersten Umhüllung 422 verbleibt. Bei dieser Ausführungsform wandert das Pumplicht weg vom Sagnac-Interferometer, so daß im wesentlichen keine Möglichkeit mehr besteht, daß das Pumplicht in das Interferometer eindringt und dessen Arbeitsweise stört. Das Licht, das von dem Sagnac-Interferometer zurückkehrt, wandert ferner von dem zweiten Ende 432 gegen das erste Ende 430 der doppelt umhüllten optischen Faser 410, wo es ohne Reflexion austritt. Daher besteht praktisch keine Wahrscheinlichkeit, daß Licht aus dem Interferometer in die Pumpquelle 440 gelangt. Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine Breitband-Lichtquelle 600 eine doppelt umhüllte fluoreszierende optische Faser 610 enthält, die ein erstes Ende 612 und ein zweites Ende 614 hat. Die doppelt umhüllte Faser 610 ist vorteilhafterweise dieselbe wie die Faser 400, die oben beschrieben wurde und von der Polaroid-Corporation bezogen werden kann. Optisches Pumplicht wird von einer Pumpe 620 mit Dioden-Anordnung geliefert. Dies ist vorzugsweise eine 500-mW- Spektral-diode-laps 815 Nanometer-Lazer-Dioden-Anordnung (???). Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Dioden-Anordnungspumpe 620 mit etwa 350 mW und einem Strom von 650 Ma betrieben und liefert ein optisches Ausgangssignal von 3 De Wandbreite von 2,75 nm. Das austretende Licht der Dioden-Anordnungspuumpe 620 wird durch eine erste Mikroskopobjektivlinse 624 parallel gerichtet auf einen schmalbandigen dichroitischen Spiegel 630. Der dichroitische Spiegel 630 wird so gewählt, daß er im wesentlichen alles Licht einer Wellenlänge von 814 nm reflektiert, nämlich der Wellenlänge des Pumplichts, das von der Dioden-Anordnungspumpe 620 geliefert wird. Der dichroitische Spiegel 630 wird ferner so gewählt, daß er im wesentlichen durchlässig ist für Licht einer Wellenlänge von 1060 nm.
Der dichroitische Spiegel ist vorzugsweise unterorientiert unter einem Winkel von 45º gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Pumplichts, so daß das Pumplicht unter einem Winkel von 90º gegen die zweite Mikroskopobjektivlinse 634 reflektiert wird. Diese Linse 634 fokusiert das Pumplicht in den Multimodekern der doppelt umhüllten Phase 610. Der Gesamtkopplungswirkungsgrad von der Dioden-Anordnungspumpe 620 zum Multimodekern der Faser 610 beträgt etwa 50 %.
Wie oben beschrieben, ruft das Pumplicht, das in der Faser 610 wandert, eine Fluoreszenz hervor, die ein optisches Ausgangssignal einer Wellenlänge von 1060 nm erzeugt. Das erste Ende 612 der Faser 610 ist unter einem Winkel abgeschnitten, so daß der Anteil des Signals, der gegen das erste Ende 612 wandert, ohne Reflexion aus der Faser 610 gekoppelt wird. Der Anteil des optischen Signals, der gegen das zweite Ende 614 wandert, wird aus der Faser 610 gekoppelt und läuft durch die zweite Mikroskopobjektivlinse 634 zum dichroitischen Spiegel 630. Da der dichroitische Spiegel 630 bei 1060 nm transparent ist, strömt das optische Signal von 1060 nm durch den dichroitischen Spiegel zu einer zweiten Mikroskopobjektivlinse 640. Die dritte Mikroskopobjektivlinse fokusiert das optische Signal auf ein erstes Ende 650 einer optischen Faser 652, die ein zweites Ende 654 hat. Die optische Faser 652 ist in eine Hälfte des oben erwähnten Richtungskopplers 126 geformt. Der Richtungskoppler 126 koppelt das Licht auf die optische Faser 130, so daß es in der rotierenden Zensorschleife 142, wie oben beschrieben, wandert. Das Licht, das von der Interferometer-Schleife 142 zurückkehrt, strömt zu dem ersten Ende 132 der optischen Faser 130, wo es gegen den Photodetektor 150 emittiert wird. Die Arbeitsweise des Photodetektors 150 und des Prozessors 154 beim demodulieren und verarbeiten des optischen Ausgangssignals wurde oben beschrieben.
Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, abgeleitet von der Ausführungsform nach Figur 10, wobei der Koppler 126 weggelassen wurde und das Interferometer-Ausgangssignal unmittelbar von der optischen Faser 130 zur Breitband- Lichtquelle 600 gekoppelt wird. Das Ausgangssignal des Interferometers läuft durch die dritte Mikroskopobjektivlinse 640, durch den dichroitischen Spiegel 630, durch die zweite Mikroskopobjektivlinse 634 zum zweiten Ende 614 der doppelt umhüllten Faser 610. Der Photodetektor 150 ist nahe dem ersten Ende 612 der doppelt umhüllten optischen Faser 610 angeordnet und erhält das Licht, nachdem es die optische Faser 610 durchlaufen hat. Da jedoch die doppelt umhüllte Faser 610 Pumplicht von der Dioden- Anordnungspumpe 620 erhält und dadurch gepumpt wird, wird das optische Ausgangssignal des Interferometers innerhalb der doppelt umhüllten optischen Faser 610 verstärkt. Daher hat das Licht, das auf den Photodetektor 150 bei der Ausführungsform nach Figur 11 fällt, eine größere Leistung als das Licht, das auf den Photodetektor 150 bei der Ausführungsform nach Figur 10 fällt.
Wie im einzelnen in einer US-Patentanmeldung ausgeführt wird, die am selben Tage wie die Anmeldung PCT/US 90/04956 beim US-Patentamt eingereicht wurde, sollte, um eine Verstärkungsmodulation in den fluoreszierenden Phasern zu verhindern, die Frequenz der Phasenmodulation in der Interferometer-Schleife oberhalb der Schwellenfrequenz liegen. Für eine Erbium gedopte Faser ist die Verstärkungsmodulation recht hoch, für Modulatorfrequenzen bis zu etwa 500 Hz oder 1 kHz und nimmt dann rasch ab. Die Fluoreszenzlebensdauer von Neodym ist in der Größenordnung von 40 ms geringer als die Lebensdauer von Erbium, die etwa 15 bis 15 ms beträgt. Daher ist die Schwellenfrequenz für Erbium gedopte Fasern geringer als für Neodym gedopte Fasern. Bei Sagnac- Interferometern wird die Modulationsfrequenz mit der Länge der Interferometer- Schleife in Verbindung gebracht (siehe z. B. US-PS 4 410 275 und 4 671 658). Für Faserschleifen von 1 km Länge ist die Modulationsfrequenz etwa 200 kHz. Bei dieser Frequenz ist die Verstärkungsmodulation fast null für Erbium gedopte Fasern und vernachlässigbar für Neodym gedopte Fasern.
Vorzugsweise ist bei der Ausführungsform nach Figur 11 der Photodetektor 150 in der optischen Bahn angeordnet, so daß die Lichtempfangsfläche des Photodetektors 150 unter einem Winkel zur optischen Wand des Lichts steht, das die fluoreszierende Faser anregt. Licht, das von dieser Oberfläche des Photodetektors 150 reflektiert wird, tritt daher nicht wieder in das erste Ende 612 der optischen Faser 610 ein. Würde solches Licht in die optische Faser 610 wieder eintreten, könnte es einen Hohlraumresonator zwischen dem Photodetektor 150 und der Schleife 142 erzeugen, ein Effekt, den die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im übrigen vermeiden. Der Winkel, unter dem der photodetektor 150 orientiert ist, wird so gewählt, daß jegliches reflektierte Licht außerhalb der numerischen Apertur der optischen Faser 610 liegt. Zum Beispiel beträgt für eine optische Faser 610 mit einer numerischen Apertur von etwa 1,1 bis 1,2 der Winkel, unter dem die reflektierende Oberfläche orientiert ist in der Größenordnung von mindestens 6º bis 7º liegen. In bevorzugten Ausführungsformen wird ein Winkel von 10º angewandt, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß irgendwelches reflektierte Licht wieder in die optische Faser 610 eintritt, weiter herabgesetzt wird.
Figur 12 und 13 entsprechen den Figuren 3 bzw. 9, wobei der Photodetektor 150 an die ersten Enden der fluoreszierenden optischen Fasern 210 bzw. 410 versetzt ist. Bei jeder der Ausführungsformen nach Figur 12 und 13 wird das optische Ausgangssignal vom Interferometer innerhalb der fluoreszierenden optischen Faser verstärkt, so daß ein verstärktes optisches Ausgangssignal hervorgebracht wird, das von dem Photodetektor 150 demoduliert (detected) werden kann.
Der Fachmann erkennt, daß die Ausführungsformen nach Figur 4, 5 und 8 in ähnlicher Weise dadurch modifiziert werden können, daß der Photodetektor 150 so angeordnet wird, daß er das optische Ausgangssignal empfängt, nachdem es durch die doppelt umhüllte optische Faser 400 bei jeder dieser Ausführungsformen gewandert ist. Obgleich die bevorzugten Ausführungsformen mit einem Interferometer mit geschlossener Schleife beschrieben wurden, wobei der Detektorausgang dazu verwendet wird, den Phasenmodulator anzutreiben, ist ferner erkennbar, daß die Erfindung angewandt werden kann bei einem Interferometer mit offener Schleife, z. B. nach den US-PS 4 779 975 und 4 410 275.
Die vorangehenden Ausführungsbeispiele beschreiben verbesserte Breitband- Lichtquellen, bei denen die Möglichkeiten von unerwünschten Laserschwingungen im wesentlichen elimiert sind. Daher können erwünschte Breitband- und temporäre Inkohärenzeigenschaften des superfluoreszierenden Lichts, das von der Lichtquelle erzeugt wird, beibehalten werden.
Obgleich oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, sollte man verstehen, daß Abwandlungen innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung für Fachleute erkennbar sind, und alle derartigen Abwandlungen sollen innerhalb des Schutzumfanges der beigefügten Ansprüche liegen.

Claims

1. Sagnac-Interferometer mit

- einer optischen Schleife (130) und

- einer Lichtquelle (123), die einen optischen Wellenleiter (110) aufweist, wobei der optische Wellenleiter (110) ein Material enthält, das ein breitbandiges optisches Signal als Reaktion auf Pumpen mit Pumpstrahlung aussendet, wobei die Lichtquelle (123) das ausgesandte optische Signal in die optische Schleife (130) einführt, und zwar längs eines optischen Verbindungsweges, der zwischen der Lichtquelle (123) und der optischen Schleife (130) verläuft,

dadurch gekennzeichnet,

- daß die Schleife (130) mindestens einen Teil des Lichts zu der Lichtquelle (123) zurückführt, das das emittierte optische Signal enthält, und zwar längs des optischen Verbindungsweges, um ein zurückkehrendes optischen Breitbandsignal bereitzustellen und

- daß die Lichtquelle (123) für das zurückkehrende optische Signal nicht- reflektierend ist, um zu verhindern, daß das rückkehrende optische Signal zur Schleife (130) zurück-reflektiert wird.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (123) eine Pumplichtquelle (120) aufweist, die so gekoppelt ist, daß sie das Material optisch pumpt, so daß das Pumlicht in dem Wellenleiter (110) in einer Richtung entgegen derjenigen emittierten optischen Signals wandert.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Wellenleiter (110) eine optische Faser mit einem Kern aufweist, der von einer Umhüllung umgeben ist, und

- daß die Lichtquelle (123) eine optische Pumplichtquelle (120) aufweist, die so gekoppelt ist, daß sie Licht in die Umhüllung führt.

4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die optische Faser eine erste numerische Apertur hat, die einem ersten Akzeptanzbereich entspricht,

- daß die Umhüllung eine zweite numerische Apertur hat, die einem zweiten Akzeptanzbereich entspricht,

- daß die Akzeptanzbereiche ein dazwischen liegendes Aperturfenster definieren, und

- daß die Pumpquelle (120) Pumplicht in das Aperturfenster einführt.

5. Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Polarisator (160) aufweist, der in dem Verbindungsweg liegt, so daß sowohl das emittierte optische Signal, als auch das zurückkehrende optische Signal durch den Polarisator (160) wandern.

6. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung einen nicht-kreisförmigen Querschnitt hat.

7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt rechteckig ist.

8. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der optischen Faser einmodig und die Umhüllung mehrmodig ist.

9. Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (110) mit Neodym gedopt ist.

10. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die optische Schleife (130) einen optischen Wellenleiter enthält, der zwei Polarisationsmoden hat, und

- daß das emittierte optische Signal eine Kohärenzzeit hat, die merkbar kleiner ist als die Fortpflanzungszeitdifferenz zwischen den Moden nach Durchlaufen der Länge der Schleife (130).

11. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, mindestens ein Anteil des rückkehrenden optischen Signals durch den Wellenleiter (110) wandert und den Wellenleiter (110) an dessen einem Ende verlaßt.

12. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß es außerdem einen Photodetektor (150) aufweist, der zum Wahrnehmen des Anteils des rückkehrenden optischen Signals dient, und

- daß der Photodetektor (150) an dem genannten Ende des Wellenleiters (110) angeordnet ist und so ausgebildet ist, daß er auf ihn fallendes Licht daran hindert, zur Schleife (130) zurück-reflektiert zu werden.

13. Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (110) eine fluoreszierende optische Faser enthält.

14. Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Wellenleiter (110) eine Längsachse und mindestens ein Ende hat, und

- daß die Pumpstrahlung in dieses eine Ende des Wellenleiters (110) unter einem Winkel zur Längsachse des optischen Wellenleiters (110) eingeführt wird.

15. Verfahren zum Betreiben eines Sagnac-Interferometers mit einer Lichtquelle (123) und einer optischen Fühlschleife (130), wobei die Lichtquelle (123) einen optischen Wellenleiter (110) enthält und dieser ein Material enthält, das Licht emittiert, wobei die Fühlschleife (130) so gekoppelt ist, daß sie Licht von dem optischen Wellenleiter (110) erhält, dadurch gekennzeichnet,

- daß man dem optischen Wellenleiter (110) Pumpstrahlung zuführt, damit er gepumpt wird und breitbandiges Licht emittiert;

- daß man Licht, das von der Lichtquelle (123) emittiert wird, zur optischen Fühlschleife (130) führt, und

- daß man emittiertes Licht von der optischen Fühlschleife gegen die Lichtquelle (123) führt, ohne das emittierte Licht zur Schleife (130) zurückzuführen, damit eine optische Resonanz des emittierten Lichts in dem Interferometer verhindert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Wellenleiter (110) ein erstes Ende (112) und eine zweites Ende (114) hat,

- daß das emittierte Licht vom ersten Ende (112) emittiert wird, und

- daß der Arbeitsgang des Einführens von Pumpstrahlung das Einkoppeln von optischer Pumpenergie zum Wellenleiter (110) an Stellen zwischen der Fühlschleife (130) und dem zweiten Ende (114) des Wellenleiters (110) umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,

- daß es außerdem den Vehrfahrensschritt enthält, emittiertes Licht, das von der Schleife (130) zur Lichtquelle (123) strömt, durch den Wellenleiter (110) zu führen, um verstärktes Licht zu erhalten, und

- daß es außerdem den Verfahrensschritt enthält, das verstärkte Licht wahrzunehmen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Einführens von Pumpstrahlung den Schritt der Orientierung dieser Pumpstrahlung in der Weise enthält, daß die Fortpflanzungsrichtung der Pumpstrahlung am einen Ende des Wellenleiters (110) einen Winkel bildet gegenüber der Fortpflanzungsrichtung des Lichtsignals, das vom Ende des Wellenleiters (110) emittiert wird.