JP2640588B2

JP2640588B2 - 干渉計、その製造および感知方法

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Publication number: JP2640588B2
Application number: JP3200890A
Authority: JP
Inventors: ケネス・エイ・フェスラー; マイケル・ジェイ・エフ・ディゴネット; ビョン・ユン・キム; ハーバート・ジェイ・ショウ
Original assignee: RIIRANDO SUTANFUOODO JUNIA UNIV
Current assignee: RIIRANDO SUTANFUOODO JUNIA UNIV
Priority date: 1990-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1997-08-13
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JPH0579845A; EP0470710B1; CA2048337C; US5106193A; EP0470710A3; KR920004814A; DE69116470D1; DE69116470T2; CA2048337A1; KR100218135B1; EP0470710A2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【０００２】

【発明の分野】この発明は光ファイバのような光導波路
の分野に属し、かつ特に超蛍光ファイバーレーザ源など
を使用する干渉計、回転センサおよびファイバジャイロ
スコープの分野に属する。

【０００３】

【関連技術の説明】サニャック（Ｓａｇｎａｃ）干渉計
は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。そのよ
うな干渉計は光源からの光エネルギーを光の２つの実質
的には等しいビームに分けることによってかつ光の２つ
のビームが反対方向でループの周りを伝播することを引
起こすことによって動作する。光の２つのビームはルー
プを通過した後で結合されかつ方向性結合器を通過した
後で検出器によって検出される。２つのビームのインタ
ーフェイスによって引き起こされた組合わされた光の強
度における変化が検出される。周知のサニャック効果に
従って、物体およびファイバのループの回転は２つの方
向に伝播する光の間の相対位相の変化を引起し、それは
順に、検出された強度の変化を引起こす。ループの回転
率は強度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、第４、５２
９、３１２号、第４、６３７、７２２号、第４、６８
７、３３０号および第４、８３６、６７６号を参照せ
よ。

【０００４】干渉計の光源は好ましくは広帯域源であ
る。共振ファイバレーザ（ＲＦＬ）および超蛍光ファイ
バレーザ（ＳＦＬ）は広域スペクトル帯域幅および高電
力出力が可能であり、そのような装置は半導体ダイオー
ド源よりもより良い温度対平均波長安定性を有する。こ
れらの特性は、耐久性とともに、それらを標準超蛍光ダ
イオード源の代替のものにした。共振ファイバレーザは
ポンプ電力に対する出力電力の最も高い割合を提供す
る。二重パス超蛍光レーザは中間値を提供しかつ単一パ
ス超蛍光レーザは最も低い値を与える。それらの源のす
べては光フィードバックに対する感受性（Ｓｕｓｃｅｐ
ｔｉｂｉｌｉｔｙ）を示し、その結果として共振レーザ
ファイバ源では大きなジャイロ不安定性および出力エラ
ーをもたらし、二重パス超蛍光ファイバレーザでは低い
源出力レベルでの不安定性のオンセットをもたらし、お
よび単一パス超蛍光ファイバレーザではより高いしかし
なお最適源出力よりは少ない類似の動作をもたらす。

【０００５】たとえば、米国特許第４、６３７、０２５
号に開示されるジャイロスコープは光ファイバのループ
の中へと導入された光を提供するために広帯域光源を使
用する。米国特許第４、６３７、０２５号における光源
は、ネオジムまたは他の希土のような活性蛍光材料でド
ープされたコアを有する単一モード光ファイバの中へポ
ンプ信号を導入することによって動作する。ポンプ光は
蛍光材料によって光子の自然放出の増幅を引起こすため
に十分な強度を有する。１つの実施例において（図
１）、ポンプ光はレンズを介して光ファイバへ入力され
る。２つの実施例の第２番目において、ポンプ光は、透
過する（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）が放出された光を高
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。ポンプ光は蛍光材料によって吸収されかつその中で
電子をより高いエネルギー状態へと励起し、その結果と
して電子がより低い状態へと遷移するとき放出光を生じ
る。自然放出が起こるランダムな態様のために、増幅さ
れ放出された光は効果的に自然蛍光でありかつ一時的に
非コヒーレントである。

【０００６】中間の光装置によって引起こされる吸収損
を減少させるために、特に結合器に関しては、検出器か
ら光源を分離する方向性結合器を省くという提案がなさ
れた。米国特許第４、８４２、４０９号において、光源
と光検出器とは、エミッタおよび光エネルギ検出器とし
て二者択一的に用いられる単一の半導体ダイオードの形
で、又は整列されることによって、同一直線上に配置さ
れている。後者の配置において、半導体ダイオードによ
って構成されている光源はその正面およびその背面の双
方を介して結合されかつ光検出器およびＹ結合器の間に
挿入される（その特許では従来の光装置よりもむしろ集
積された光装置が使用される）。ダイオードはしたがっ
て、エミッタとしてかつ光エネルギーの増幅器として二
者択一的に使用される。いずれの場合においても、半導
体ダイオードはできる限りの長い間、すなわち２つのビ
ームが前進および復帰経路のそれらの全体にわたって伝
播するのに必要とされる時間γ′よりも少し少ない持続
期間の間、光パルスを定期的に放出するために切換えら
れる。切換周期２γ′は従って検出感度を最適化するた
めに使用される位相変調の周期２γに非常に近くなり、
なぜなら光源および干渉計ループの間のビームによって
覆われた前進および復帰経路長が干渉計ループそのもの
の経路リンクと比較して小さいからである。その結果と
して、光検出器からの出力信号において、源切換えから
起こる変調および位相変調から起こる変調に起因して様
々な成分はお互いに重複し、それによって有効信号を検
出することが難しくなる。上で説明された米国特許第
４、８４２、４０９号において、困難な点は源およびＹ
結合器の間に光ファイバの付加長を加えることによって
それらの前進および復帰経路上で２つのビームの伝播時
間を人工的に２倍にすることによって幾分か解消され、
付加長は干渉計ループの長の４分の１に等しい。しかし
ながら、光ファイバの有意長を加えることは干渉計シス
テムの大容量を増加させかつ光エネルギー効率を減少さ
せる。

【０００７】米国特許第４、８４８、９１０号におい
て、上記の問題に対する別の解決策が提示される。その
解決策は本質的には電子の性質に関しかつ構成要素の光
特性を使用しない。よいエネルギー効率を得るために、
ここで引用された例では光がレーザダイオードから干渉
計リングに至るまでの経過時間γ″に加えて干渉計リン
グの周囲の経過時間の２倍に対応する最大持続期間γ′
の放出および受信光パルスを使用することが必要であ
る。その結果として、放出−受信切換周期２γ′は位相
変調周期２γに非常に接近する。光検出器によって発生
される信号のスペクトルはレーザダイオードの放出−受
信切換に起因する変調によって引起こされる周波数１／
２γの近くでスペクトル線を含む。それらのスペクトル
線は位相変調によって発生された１／２γでの有用なス
ペクトル線の検出を妨げる。米国特許第４、８４８、９
１０号ではレーザダイオード放出−受信切換の結果とし
て生じる変調またはより一般的にはレーザダイオードに
よって放出された光エネルギーの何らかの振幅変調に位
相変調が結合された後、光検出器から生じる信号の異な
るスペクトル線における有用な信号を分離することによ
ってその問題を解決することが提案される。干渉計リン
グから生じる光電力は非常に豊富な調波を持つ周波数ス
ペクトルを有する。２つの変調周波数が僅かに異なって
いる限り、小さな位相差異に対する最大感度で２つのビ
ームの相関の位相差異を計測するために使用されるであ
ろう構成要素が存在する。

【０００８】上記で述べられた２つの米国特許において
提案された２つの解決法とは異なって、この発明は上記
で述べられた問題を光源の切換を必要とすることなしに
解決する。この発明の目的はまた上記で述べられた問題
を信号増幅器として使用される超蛍光レーザ源の興味深
い光特性を使用することによって解決するためのもので
ある。

【０００９】

【発明の要約】この発明の第１の実施例に従えば、以下
のような干渉計が説明され、すなわちそれは感知ルー
プ、感知ループに結合された光源、（ｉ）感知ループへ
の入力のための入力光信号を生じかつ（ｉｉ）感知ルー
プから出力信号を受信する光源を含む。光源は出力信号
の変調に依存する反転変調を表わす発光媒体を含む。反
転変調は遷移周波数より低い出力信号変調周波数に対し
て比較的ハイでありかつ出力信号の変調周波数が遷移周
波数を超えて増加するのに従って減少する。干渉計はさ
らに、感知ループを通って伝播される光を次のように変
調する変調器を含み、すなわち出力信号が変調され、変
調器は前記出力信号の変調が遷移周波数をかなり上回る
周波数となって実質的に反転変調を減少させるような周
波数で駆動されている。

【００１０】変調器は以下の式に従って実質的に選択さ
れた周波数ｆ_mを有する位相変調を好ましくは含む。

【００１１】ｆｍ＝ｖ／２Ｌここにおいてｖは感知ループを介して伝播する光の速度
であり、Ｌは（ａ）位相変調器および感知ループの第１
の端縁と（ｂ）位相変調器および感知ループの第２の端
縁との間で感知ループに沿って計測された差動距離であ
る。

【００１２】出力信号変調はｆ_mの周波数成分を、また
は約１ｋＨｚ以上の周波数を有してもよい。その出力信
号変調は約１００−２００ｋＨｚのオーダの周波数を有
してもよい。遷移周波数は好ましくは実質的に１ＭＨｚ
より少なくかつ約５００ｈｚのオーダであってよい。

【００１３】この発明の干渉計において、出力信号は好
ましくは増幅のために光源を介して通過する。干渉計は
出力信号が光源を介して通過した後に出力信号を受信す
るように位置づけられた検出器をさらに含んでもよい。
光源はクラッディングを有するエルビウムドープされた
光ファイバを含んでもよい。

【００１４】光源はポンプ光をクラッディングに導入す
るように結合された光ポンピング源を好ましくは含む。

【００１５】この発明の第２の局面に従えば、以下のよ
うなステップを含む感知ループおよび検出器を有する干
渉計を製造する方法がまた開示され、すなわちそれは放
出媒体を有する光源をループへと結合するステップと、
ループからの出力信号が出力信号を増幅するために源を
介して通過するように感知ループと検出器との間に光源
を位置づけるステップと、出力信号が変調されるように
変調器をループに結合させかつ出力信号の反転変調によ
って誘起された変調が実質的に解消されるような、放出
媒体の反転変調特性に関して十分にハイである周波数ｆ
_mで変調器を駆動するように発生器を結合させるステッ
プとを含む。好ましくは、変調器は位相変調器を含み、
以下の式が成り立つ、すなわち、ｆｍ＝ｖ／２Ｌここにおいてｖは感知ループを介して伝播する光の速度
であり、Ｌは（ｃ）位相変調器および感知ループの第１
の端縁、および（ｄ）位相変調器および感知ループの第
２の端縁の間で感知ループに沿って測定された差動距離
である。

【００１６】１つの実施例において、光源はエルビウム
ドープされた光ファイバを含む。この発明の第３の局面
に従えば、以下のようなスナップを含む感知の方法が開
示され、それは増幅された出力信号を提供するために干
渉計からの出力信号を増幅するステップと、増幅された
出力信号を検出するステップと、出力信号が出力信号の
増幅よりも前に変調されるように干渉計において伝播す
る光を変調するステップと、増幅の間に出力信号の反転
変調によって誘起された変調を避けるのに十分にハイで
ある変調のための周波数を利用するステップとを含む。
好ましくは、増幅のステップは出力信号を放出媒体を含
む光ファイバを介して通過させるステップを含む。放出
媒体はエルビウムドープされたシリカを含んでもよい。

【００１７】この発明の第４の局面に従えば以下のよう
な干渉計が開示され、すなわちそれは感知ループ、感知
ループに結合された光源、（ｉ）感知ループへの入力の
ための入力光信号を生じ、かつ（ｉｉ）感知ループから
出力信号を受信する光源を含み、出力光は増幅された出
力信号を提供するために光源によって増幅されており、
光源は同時に入力光信号を感知ループへと入力しかつ感
知ループからの出力信号を増幅し、感知ループを介して
伝播する光を変調する変調器を含み、変調器は光源にお
いて利得変調を抑圧する周波数で駆動されており、さら
に増幅された出力信号を検出する検出器を含む。

【００１８】この発明の第５の局面に従えば、以下のス
テップを含む感知の方法が開示され、すなわちそれは感
知ループへ入力光信号を入力するステップと、感知ルー
プから変調された出力信号を出力するステップと、感知
ループへの入力光信号の入力のステップと同時に出力信
号を増幅するステップとを含み、増幅ステップは出力信
号を利得媒体を介して通過させるステップと、利得媒体
において反転変調を抑圧するために変調の周波数を選択
するステップおよび利得媒体による増幅の後出力信号を
検出するステップを含む。

【００１９】

【好ましい実施例の詳細な説明】図１はこの発明に従う
回転センサの好ましい実施例を図示する。それは光源１
００を含むサニャック干渉計１０２を示す。光源１００
は第１の端縁１３２および第２の端縁１３４を有する光
ファイバ１３０のような光導波路を含む。

【００２０】好ましい実施例において使用される光ファ
イバ１３０は単一パス超蛍光ファイバレーザ源である。
このファイバレーザ源は実質的に減少された源フィード
バック感受性を示しかつ短期の騒音期待を確実にする。
超蛍光ファイバレーザ源１３０が光波長（光ファイバの
吸収帯域と呼ばれる）の特定の範囲内で光エネルギーで
ポンプされるとき、光ファイバ１３０はポンプ光エネル
ギーの波長に応答する波長を有する出力光を発生する。
たとえば、光ファイバ１３０はホストガラスのコアを含
み、それはたとえば０．８２ミクロンのオーダの波長を
有する光を吸収するネオジウムのような活性の蛍光物質
でドープされる。ポンプ光エネルギーからの吸収光子は
活性材料において電子をより高いエネルギーの電子エネ
ルギー状態に励起させ、かつより低いエネルギーレベル
への電子の遷移が行なわれるとき、光子は特性放出帯域
または蛍光波長で放出される。たとえば、ネオジウムの
場合、放出帯域は１．０６ミクロンおよび１．３５ミク
ロンである。自然放出のためのより低いエネルギーレベ
ルを介して接地状態へ戻る遷移はランダムな態様におい
て起こり、ポンプ光によって引起こされた光子放出が増
幅された自然蛍光になるということを引起こし、そうし
て放出された出力光が一時的に非コヒーレントになるこ
とを引起こす。光ファイバ１３０はまたエルビウムドー
プされたファイバであってもよい。以下にさらに詳細に
述べられるように、エルビウムドープされたファイバレ
ーザ源はファイバにおいて漏話効果を避けるために特に
興味深い長い飽和および復帰時定数を有する。

【００２１】光源１００はダイクロイックミラー１２２
を使用する蛍光光ファイバの第２の端縁１３４に結合さ
れるポンプ源１２０を含む。ポンプ光源１２０は、たと
えばレーザダイオード、ダイオードアレイポンプ源また
はそのようなものであってよい。図１の実施例におい
て、好ましくはポンプ源１２０はＧａＡｌＡｓフェーズ
ドアレイのようなダイオードアレイを含む。そのような
ダイオードアレイポンプ源はＳｐｅｃｔｒａによって製
造された５００ｍＷＤｉｏｄｅＬａｂ８１５ｎｍレ
ーザダイオードアレイのように商業上利用可能であり、
６５０ｍＡの電流および２．７５ｎｍの３ｄＢ広帯域を
伴ってほぼ３５０ｍＷで動作される。源１２０はたとえ
ば０．８２ミクロンの蛍光光ファイバ１３０の吸収帯域
の１つ内で波長を有する光ポンプ信号を提供する。ポン
プ光源１２０によって与えられるポンプ光は２つのレン
ズ１２５および１２７、ならびにダイクロイックミラー
１２２を介して光ファイバ１３０の第２の端縁１３４へ
と導入される。ダイクロイックミラー１２２はポンプ光
を完全に反射する。ダイクロイックミラーは二重クラッ
ドファイバを利用するこの発明の好ましい実施例におい
て狭帯域８１５／１０６０ｎｍダイクロイックミラーで
ある。ミラーは１０６０ｎｍの光を透過しかつ８１５ｎ
ｍで実質的にすべての光を反射する。ポンプ光はそれか
ら光ファイバ１３０のコアにおける蛍光材料内を伝播す
る。ポンプ光源１２０によって与えられるポンプ光の強
度は蛍光材料における電子の反転分布（ｐｏｐｕｌａｔ
ｉｏｎｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を引起こすのに十分に大き
いものとして選択され、それによって蛍光材料からの光
の増幅された自然放出を支持する。蛍光光ファイバ１３
０の長は実質的にすべてのポンプ光エネルギーが蛍光材
料によって吸収されるように十分に長いものとして選択
される。

【００２２】この発明の別の好ましい実施例において、
光ファイバ１３０はポラロイドコーポレーション（Ｐｏ
ｌａｒｏｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から利用可能
であるような二重クラッドネオジウムドープされたファ
イバ導波管である。ファイバの長さはほぼ２０ｍであ
る。好ましくは、二重クラッドファイバの両端は、以下
により詳しく説明されるであろうように、端面反射を抑
圧するために１５°で研磨されてきた。二重クラッド光
ファイバ４００は図２の横断面図においてさらに詳しく
示される。図示されるように、二重クラッド光ファイバ
４００はＮｄ₂Ｏ ₃の約０．５重量パーセントでドープ
されるシリカガラスを含む内部コア４２０を含む。それ
はまたＡｌ₂Ｏ₃を３．８重量パーセント含み得る。コ
ア４２０は０．１５の開口数を有する。コア４２０はほ
ぼ４．８μｍの直径を有しかつほぼ矩形（たとえば、示
されるように僅かに丸くされた端部によって接続された
２つの実質的に並列な側を有する）を有する第１のクラ
ッディング４２２によって取り囲まれる。第１のクラッ
ディング４２２は１１０μｍに４５μｍの寸法のほぼ矩
形のものであってコア面積に対する第１のクラッディン
グ面積の比率をはほぼ２７４である。第１のクラッディ
ング４２２は主にシリカ（ＳｉＯ₂）を含みかつ第１の
バッファコーティングである第２のクラッディング４２
４によって取り囲まれる。第２のクラッディング４２４
はほぼ１．３９の屈折率を有する軟質フッ素重合体を含
む。第１のクラッディング４２２と第２のクラッディン
グ４２４との間の開口数はほぼ０．４である。第２のク
ラッディング４２４は二重クラッド光ファイバ４００を
保護するための商用硬質重合体を含む第２のまたは外側
のバッファコーティング４２６によって取り囲まれる。

【００２３】第１のクラッディング４２２はファイバが
矩形クラッディングにおいて単一モードコアとして作用
することを許可する。第２のクラッディング４２４はフ
ァイバがポンプ光のための多重モードファイバコアとし
て作用することを許可する。クラッディング４２２は大
きな開口数を有し、従ってポンプ光はコアの軸について
ある角度でクラッディングへと導入され得る。このこと
はポンプ光がファイバ４００へと直接に結合されること
を許可し、かつダイクロイックミラーの必要性を除去す
る。クラッディング４２２内のポンプ光は単一モードコ
アへと伝播し、かつ単一モードコアはポンプ光を吸入す
るが、それはポンプ光が単一モードコアに制限される場
合においてよりも長いファイバ長全体にわたって行なわ
れる。二重クラッドファイバは高電力半導体フェーズド
アレイでポンプされ得る。このことは極めて有利なこと
である。なぜならばネオジウムドープされたファイバか
らの有用な量の蛍光のために必要とされる高ポンプ電力
は単一一片レーザダイオードから容易に得られることが
ないからである。

【００２４】図１に戻ると、ポンプ光を反対の端部１３
２よりもむしろ蛍光ファイバ１３０の第２の端縁１３４
に適合することは「逆方向ポンピング（ｂａｃｋｗａｒ
ｄｐｕｍｐｉｎｇ）」と呼ばれる。「逆方向ポンピン
グ」を利用する様々な実施例が１９８９年８月３１日の
日付で出願されこの発明の出願人に対して譲渡された、
「超蛍光光ファイバ光源（Ｓｕｐｅｒｆｌｕｏｒｅｓｃ
ｅｎｔＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＬｉｇｈｔＳ
ｏｕｒｃｅ）」と題された同時係属中の米国特許出願連
続番号第４０１、２２５号において説明される。この出
願はこれによって引用により援用される。ファイバ１３
０の第１の端縁１３２へと伝播する光（「逆方向伝播
光」）の反射は初めには望ましいと考えられていた。出
願人はしかしながら逆方向伝播光の反射が多くの応用に
おいて所望とされないということがわかった。特に、干
渉計１０２のループはミラーと同じ効果を与え、かつサ
ニャック干渉計１０２に導入されかつループの周囲を伝
播する光の５０％までが蛍光光ファイバ１３０に結合し
戻され得る。米国特許第４、６３７、０２５号において
のように、もし光が第１の端縁１３２で反射されると、
それはまたサニャック干渉計１０２に対して伝播し戻す
であろう。このような状況の下で、光ファイバ１３０お
よび干渉計１０２のループは共振空洞の２つのミラーと
して作用する。こうして、共振レーザ動作が起こり得、
それは所望とされない一時にコヒーレントなレーザ光の
発生を引起こす。

【００２５】それらの共振の問題を除去するために、端
縁１３２はポンプ光がファイバ１３０へと結合されると
き、ポンプダイオード端面および他の構成要素から遭遇
する反射光なしの状態に置かれる。蛍光光ファイバ１３
０の第１の端縁１３２は特定的に第１の端縁１３２で反
射を排除するように形成される。たとえば、図１におい
て、第１の端縁１３２を横切る斜線は第１の端縁へと伝
播する光が反射せずに第１の端縁１３２から放出される
ために第１の端縁１３２がある角度（たとえば、１５
°）で切られるということを示す。実質的に第１の端縁
１３２に対して伝播するいずれの光も第２の端縁１３４
に対して反射し戻されないであろう。図１に表示される
実施例において、光ファイバ１３０の端縁の各々は２つ
の端縁をある角度で切ることによって反射せずに終端と
される（たとえば、第１の端縁１３２および第２の端縁
１３４はほぼ１５°で切られる）。その代わりとして、
反射防止コーティングを第１の端縁１３２に適用しても
よい。こうして、適切に端縁１３２を終端とすることに
よって、この端縁から反射された光を６０ｄＢ以上抑圧
することができかつ共振レーザ動作が起こることを防ぐ
ことができる。上で説明された「逆方向ポンプされた」
配置は有利でありかつ好ましいものであるが、当業者に
はこの発明が従来の光配置を使用して行なわれ得るとい
うことが明らかであろう。

【００２６】超蛍光ファイバ１３０によって放出された
光エネルギーはいわゆる超放射発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）によって生じた光に相関して高い放射強度を有す
る。さらに、放出された光はレーザダイオードの特性ス
ペクトル線出力よりも広い波長分布を有し、低い一時的
（ｔｅｍｐｏｒａｌ）コヒーレンスを有し、かつ一般的
に温度独立である主波長を有する。蛍光光ファイバ１３
０に結合されたポンプ光は広帯域光の放出を刺激する。

【００２７】放出された光は蛍光光ファイバ１３０のコ
アにおける蛍光材料内ですべての方向において発生され
る。第２の端縁１３４の一般的な方向に初めに伝播する
光の部分（ここにおいて順方向伝播光と呼ばれる）は広
帯域出力信号としてそこから放出されるであろう。ネオ
ジウムドープされたファイバの場合において、光は１０
６０ｎｍで放出される。１０６０ｎｍ蛍光信号はレンズ
１２７によってコリメートされ（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ
ｄ）、１０６０ｎｍで透過性でありかつ第３のレンズ１
２９によって合焦されるダイクロイックミラー１２２を
介して光ファイバ１１０を介して干渉計１０２へと伝送
される。ファイバ１１０は１０６０ｎｍ偏波保存型の単
一モードコーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）ファイバであり
得る。ＳＦＬ源１３０はほぼ１０ｎｍの帯域幅を有する
ほぼ３ｍＷの蛍光電力を生じ、その１．５ｍＷはジャイ
ロファイバ１１０に結合される。超蛍光ファイバの出力
スペクトルは図３において表示される。スペクトルはほ
ぼ１０６０ｎｍの波長で約１２ｎｍの３ｄＢ帯域幅を示
す。好ましくは、光は実質的には完全に第２の端縁１３
４からファイバ１１０の入力へと結合される。

【００２８】この発明の代替の好ましい実施例におい
て、バルク光部分およびダイクロイックミラーは超蛍光
ファイバ１３０を組入れる多重モードファイバ結合器と
置換される。そのような結合器は（図１には表示され
ず）好ましくはマルチプレクシング結合器である。たと
えば、米国特許第４、５５６、２７９号において説明さ
れたように、マルチプレクシング結合器は光の波長に従
ってそれが結合器の２個の半体の間の異なるパーセンテ
ージの光に結合するように構成される。たとえば、マル
チプレクシング結合器はポンプ信号の波長（たとえば、
０．８２μｍ）で光ファイバ１３０に導入された実質的
にすべての光が蛍光光ファイバ１３０に結合されずしか
し伝送されて上記で説明された蛍光効果を引起こすよう
に構成される。他方、マルチプレクシング結合器は蛍光
光ファイバ１３０内で発生されかつ第２の端縁１３４に
対して順方向に伝播する蛍光光が光ファイバ１１０へ蛍
光光ファイバ１３０から結合されることを引起こす。結
合された光はサニャック干渉計１０２のループへと光フ
ァイバ１１０内を伝播する。バルク光学の代わりにマル
チプレクシング結合器を含むそのような代替の実施例に
おいて、ポンプ源はまた多重モードファイバを介してフ
ァイバ１３０へ接続され得る。ポンプ源１２０は光を多
重モードファイバの第１の端縁へと導入し、それは多重
モードファイバの第２の端縁へと伝播する。多重モード
ファイバの第２の端縁は光が光ファイバ１３０へと結合
されるように光ファイバ１３０に対して豚のシッポのよ
うな形をしている。そのような実施例は１９８９年８月
３１日の日付で出願された、同時係属中の米国特許出願
連続番号第４０１、２２５号において説明され、それは
ここにおいて引用により援用される。

【００２９】図１の干渉計１０２に戻ると、光ファイバ
１３０によって放出された広帯域出力信号は光ファイバ
１１０を介してサニャック干渉計１０２へと導入され
る。方向性結合器１４０は光ファイバ１１０の２つの端
縁１１２および１１４の間でループ１４２内に光ファイ
バ１１０の部分を形成する。ループの長さはたとえばほ
ぼ１ｋｍである。ループ１４２のファイバ１１０は３Ｍ
Ｃｏ．によって製造され、２０ｃｍ直径スプール上で
巻回された好ましくは偏波保持ファイバである。方向性
結合器１４０は好ましくは米国特許第４、５３６、０５
８号などに従って構成される。方向性結合器１４０は１
０６０ｎｍでの動作のために設計されたたとえば研磨さ
れた型の偏波保持結合器である。ループ１４２は干渉計
１０２の感知部分として動作する。結合器１４０は広帯
域光源１００（３ｄＢ結合器）から光ファイバ１１０に
結合された広帯域光のほぼ５０％を結合する。広帯域光
の５０％は第１の方向（図１において時計回り）におい
てループ１４２の周囲を伝播しかつほぼ５０％が第２の
反対の方向（図１において逆時計回り）においてループ
１４２の周囲を伝播する。図１のサニャック干渉計１０
２は変調器１５８をさらに含み、好ましくは電気出力信
号が同期して復調されることを可能にするためにループ
１４２内で位相変調を逆伝播光信号に導入するプロセッ
サ１５４によって駆動される位相変調器１５８を含む。
位相変調器はたとえばファイバ巻回されたＰＺＴ圧電シ
リンダであり、２００ｋＨｚの周波数（１ｋｍコイルに
対して適切な周波数）で駆動される。位相変調の振幅は
第１の調波ジャイロスコープ出力を最大にするように選
択される。ループ１４２の周囲を伝播する光は方向性結
合器１４０によって再び結合され、かつ再び結合された
光信号は蛍光ファイバ１３０へ伝播し戻される。光のほ
ぼ５０％が光ファイバ１１０の第１の端縁１１２を介し
て出力信号として与えられ、他の５０％がファイバ１１
０の第２の端縁を通って存在する。偏波器でのおよびフ
ァイバループ１４２におけるエポキシボンドされたスプ
ライスにおいて複屈折ファイバ軸アラインメントの精度
は±５°内に見積もられる。

【００３０】サニャック干渉計の動作は周知でありかつ
ここにおいて詳しく説明されはしない。当業者は付加的
な構成要素がそのような干渉計の動作を改良するために
しばしば使用されることを認識するであろう。超蛍光フ
ァイバの第１の端縁および第２の端縁の間の回路に対す
る光挿入損はたとえばほぼ２７ｄＢである。ファイバ１
１０の端縁１１２および方向性結合器１４０の間の光フ
ァイバ１１０上に位置決めされた偏波器１６０のような
構成要素は様々な適用において有利に使用される。たと
えば、偏波器は２つのＧＲＩＮレンズの間の小型の方解
石ロッドからなり、３５ｄＢよりもさらによい推定光電
力消滅係数（ｅｓｔｉｍａｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｐ
ｏｗｅｒｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅ
ｎｔ）を有する。当業者はまたサニャック干渉計１０２
の部分が集積光構成要素またはバルク光構成要素を利用
して有利に構成され得るということを認識するであろ
う。

【００３１】干渉計の出力はレンズ１２７および１２９
によって合焦された後第２の端縁１３４を介して超蛍光
ファイバ１３０に入る。ダイクロイックミラー１２２は
ここで再び超蛍光ファイバ１３０の放出波長での出力光
を透過する状態にある。出力光はそれから今増幅器とし
て作用するレーザファイバ１３０において増幅される。
超蛍光ファイバ１３０を介して第２の端縁１３４から第
１の端縁１３２へと通過し戻されるジャイロスコープ光
出力信号はこの発明の実験の実施例においてほぼ３０ｄ
Ｂの増幅を経験する。

【００３２】当業者はループでの位相変調が位相変調器
周波数と同じ周波数で干渉計によって再び組み合わされ
た信号出力の振幅変調を誘起するということを認識する
であろう。この振幅変調は、もし振幅変調が十分に強く
かつ十分に遅くかつもしそれが増幅するファイバの帯域
幅内であるとすれば、ファイバにおける光利得が同様の
周波数で変調されることを引起すかもしれない。変調さ
れた信号の高い値は上位のレーザ動作レベル集団（ｐｏ
ｐｕｌａｔｉｏｎ）を使い尽くし（ｄｅｐｌｅｔｅ）、
利得が減少することを引起こす。変調された信号の低い
値は利得に影響を及ぼさず、利得が変化しない状態でい
ることを引起こす。利得の変化は利得深度によって計測
される。もし利得が変調されると、深度は単一体（ｕｎ
ｉｔｙ）に接近する。利得が変調されないとき、深度は
０である。実際に、利得深度は１と０との間で変化す
る。

【００３３】振幅変調された信号はまた同じ周波数で放
出された信号に対して振幅変調をおこさせるであろう。
その結果として、放出された信号およびジャイロスコー
プ信号は干渉計の精密および感度に影響を及ぼす共振効
果を生じ得る。さらに、変調は検出されるべき実信号に
関して重要であり得、かつ騒音源として作用し得る。

【００３４】利得変調は振幅器のレーザ動作材料の励起
寿命で変化する。レーザ動作レベルの集団寿命は集団の
１／ｅが放出されより低いレベルへと下がるまでレーザ
動作レベルの集団が反転状態のままである間の期間とし
て規定される。

【００３５】振幅変調されたジャイロスコープ信号（ま
た出力信号と呼ばれる）がファイバ１３０のレーザ動作
媒体を介して伝播するとき、上位レーザ動作レベルにお
ける集団は信号の周波数変調と歩調をあわせて変化す
る。上位レーザ動作レベルが上位ポンプレベルを介して
接地状態から定められる（ｐｏｐｕｌａｔｅｄ）速い速
度および速い消耗の速度のために、反転分布は出力信号
の強度変化に続く。上位レーザ動作レベルは迅速に飽和
されかつ強度変化に続くことが可能である。ファイバレ
ーザは相対的に長い上位レーザ動作レベル寿命を有す
る。上位レーザ動作レベルは相対的にゆっくりと定めら
れる。もし振幅変調された出力信号の周波数が集団寿命
に関して十分に高くかつここにおいてスレッショルド周
波数または遷移周波数と呼ばれる周波数よりも超越して
いるとすれば、反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｉｎ
ｖｅｒｓｉｏｎ）は出力信号の強度変化に従うのをやめ
る。源信号はそれから出力信号からのいかなる合成変調
も有さない上位レーザ動作レベルにおける準定常分布密
度を調べる。

【００３６】この発明のレーザにおいて、位相変調の周
波数は振幅変調された信号が利得変調を防ぐのに十分に
ハイになるように選択される。エルビウムドープされた
ファイバに対して、利得深度は実質的に１から５００ｋ
Ｈｚの周波数までと等しく、それから迅速に減少する。
サニャックジャイロスコープにおいて、位相変調周波数
は方程式によって干渉計ループの長さにリンクされる。

【００３７】ｆｍ＝ｖ／２Ｌここにおいてｆｍは位相変調周波数、ｖは感知ループを
介して伝播する光の速度、およびＬは位相変調器および
感知ループの第１の端縁ならびに位相変調器および感知
ループの第２の端縁の間の感知ループに沿って計測され
た差動距離である。

【００３８】典型的に、１ｋｍの長さのファイバループ
に対して、位相変調周波数はほぼ２００ｋＨｚである。
そのような周波数で、利得変調はエルビウムドープされ
たファイバに対してほぼ０である。

【００３９】ネオジウムの蛍光寿命は１０−１５ｍｓで
あるエルビウムの寿命よりも少なく、４０γｓのオーダ
である。従って、エルビウムドープされたファイバに対
するスレッショルド周波数はネオジウムドープされたフ
ァイバに対するスレッショルド周波数よりも少ない。し
かし、２００ｋＨｚのオーダの周波数では、ネオジウム
ドープされたファイバにおける利得変調もまた無視でき
る。

【００４０】対照的に、レーザダイオードは短い上位レ
ーザ寿命を有する。たとえば、レーザダイオードの寿命
は数ナノセカンドのオーダであり、それはスレッショル
ド周波数が１ＭＨｚのような極めて高い値となることを
引起こす。利得はこうして非常に高い周波数であって
も、半導体レーザダイオードにおいて変調される。変調
深度がフィードバック信号の強度に依存するので、フィ
ードバック信号を減少させることによってレーザダイオ
ードにおける変調深度を減少させることが可能である。
しかしながら、このことは実質的にはＳ／Ｎ比率を減少
させる。それらの問題のために、レーザダイオードを使
用する先行技術特許（米国特許第４、８４２、４０９号
および米国特許第４、８４８、９１０号）はレーザダイ
オードを源としてかつ増幅器として連続して使用するた
めにスイッチの使用を開示した。このことは上記で述べ
られた特許が解決できると主張する、他の問題を作り出
した。

【００４１】こうして、十分に長い上位のレーザ動作レ
ベル寿命を有するレーザ媒体を選択することによって、
増幅ファイバにおける利得変調を実質的に減少させるこ
とが可能である。もし出力信号の変調周波数が遷移周波
数よりも遙かに大きなものであれば、反転変調はジャイ
ロスコープ適用のために許容可能なレベルへと迅速に減
少する。

【００４２】図７を参照すると、ログ−ログ図における
入力ポンプ信号および信号電力の異なる値のために利得
変調が周波数に対してプロットされている。図７はエル
ビウムレーザファイバにおける一時的利得飽和および復
帰の理論的な分析と関連してさらに詳細に説明されるで
あろう。図７は利得変調が上述の遷移周波数と呼ばれる
予め定められた周波数よりも少ない周波数に対して一定
でありかつ無視できないものであるということを明白に
示す。しかしながら、信号の周波数が遷移周波数を超え
て増加すると、利得変調は迅速に減衰しかつ消滅する。
たとえば、エルビウムの場合において、ほぼ５００Ｈｚ
である遷移周波数より少ないまたはそれに等しい周波数
に対して、図７において曲線１によって表わされるよう
に、利得変調は所与の入力ポンプ電力および信号電力に
対してほぼ０．９に等しい。周波数が５００Ｈｚを超え
ると、利得変調が迅速に減少する。１ＫＨｚを超える周
波数で、利得変調は無視することができかつ０になる。
減衰利得変調のログ−ログの傾斜はほぼ−１に等しい。

【００４３】再び図１を参照すると、第１の端縁１３２
からの出力信号は検出器１５０によって検出されこれは
プロセッサ１５４に与えられた線１５２上に電気出力信
号を与える。検出器はたとえばシリコンＰＩＮフォトダ
イオードである。プロセッサ１５４はループ１４２が回
転される方向および割合に応答して電気出力信号を処理
しかつバス１５６上に計算された出力信号を提供する。
この発明の実験の実施例において、超蛍光ファイバ１３
０の端縁１３２での光電力は８ｍＷであり、その１部分
は検出器に合焦され、０．２ｍＡのｄｃ電流を生じる。
電子へのこの高いレベルの電気入力は電子信号処理回路
を有利に簡素化する。

【００４４】この発明の干渉計によって得られる実験の
結果を示す図４に対して参照が今なされる。１つの図は
ＩからＶＩＩまでが付された７つの領域を含む。領域Ｉ
Ｖを除くすべての領域において、ジャイロスコープはル
ープ軸が大地に並行に配向された静止位置にある。領域
Ｉにおいて、電子はオンにされる。領域ＩＩにおいて、
ポンプ源はオンである。領域ＩＩＩにおいて、位相変調
はオンにされるが回転率は０度／時である。領域ＩＶに
おいて、ループ軸は５度／時の効果的な回転率を与える
大地軸に対する角度に配向される。領域Ｖにおいて、回
転率は再び無効（ｍｕｌｌ）となる。領域ＶＩにおい
て、位相変調はオフにされる。領域ＶＩＩにおいて、ポ
ンプダイオードはオフにされる。図４における各々の大
きな区分は１分を表わす。領域ＩおよびＶＩＩはシステ
ムの電子騒音フロアを表わし、それはほぼ、

【００４５】

【数１】である。

【００４６】領域ＩＩおよびＶＩ（ファイバレーザが活
性状態にされかつレーザダイオードポンプがオンの状態
である）はｒｍｓ強度雑音をしめし、それはほぼ、

【００４７】

【数２】と示されることができかつそれは

【００４８】

【数３】の源ビート騒音の理論的レベルに接近している。

【００４９】短い雑音およびジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏ
ｎ）雑音の計算された値は、それぞれに、

【００５０】

【数４】である。領域ＩＩＩ−Ｖ（位相変調（ＰＭ）オン）は０
および５°／ｈｒ回転率に応答するジャイロを示す。

【００５１】低い回転率範囲において、この発明のシス
テムは安定したものでありかつ回転感度を有しそれはほ
ぼ、

【００５２】

【数５】でありそれは超蛍光ファイバレーザ源の帯域幅に相関の
通常ビート雑音によって設定されるように思われる。こ
の発明のシステムにおける高い利得光増幅の付加が正味
の出力雑音レベルを目立って増加させはしないというこ
とが注目に値する。この発明のシステムは利得増幅を伴
わず逆方向ポンプされた干渉計より実質的にさらに感度
が強い。検出器での電力および電流レベルは利得ファイ
バを介して通過し戻ることにおけるジャイロスコープ信
号によって経験された大きな光利得のためにこの発明の
システムにおいては３桁大きい。

【００５３】この発明の実験のジャイロスコープ回路に
おいて使用される光構成要素はこの発明のシステムの短
い期間の雑音および感度の値を求めるのに適当である
が、それらは長い期間のドリフトテストから定められる
温度変化に伴って±４°／ｈｒまでのバイアスオフセッ
トおよびバイアスドリフトを許可する。しかしながら、
最適構成要素を使用するジャイロスコープ回路が源から
発生されたシフトの構成要素を除去するであろうことが
当業者には明らかになるであろう。

【００５４】エルビウムドープされたファイバ増幅器に
おける過渡利得飽和および復帰の理論的な分析は１９８
９年８月に発行されたＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ、第１巻の第８
号の、「エルビウムドープされたファイバ増幅器におけ
る過渡利得飽和および復帰（ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＴ
ｒａｎｓｉｅｎｔＧａｉｎＳａｔｕｒａｔｉｏｎ
ａｎｄＲｅｃｏｖｅｒｙｉｎＥｒｂｉｕｍＤｏｐ
ｅｄＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）」と題され
たＥ．Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅによる論文において与えら
れる。この論文はこれによって引用により援用される。
分析はファイバ増幅器として使用されるエルビウムドー
プされたファイバに関するが、他のレーザ動作材料でド
ープされたファイバレーザに対しても性質上有効であ
る。

【００５５】周波数変調された回転センサ信号出力の飽
和−誘導漏話によって引起こされた干渉ファイバ光ジャ
イロスコープにおける測定の精密および感度を損なう可
能性がある。上で説明されたように、飽和誘起された漏
話は集団反転における削減または光ファイバにおけるキ
ャリア密度の効果である。

【００５６】図５を参照すると、エルビウムドープされ
たファイバの簡素化された３レベルモデルが表わされ
る。モデルは３つのレベルを含みそれは、接地レベル、
励起レベル（または上位レーザ動作レベル）および上位
ポンプレベルである。Ｎ₁、Ｎ ₂およびＮ₃はそれぞれ
に接地レベル、励起レベルおよび上位のポンプレベル集
団である。レベル１は（Ｅｒ^{3 +}のレーザ遷移が１．５
μｍである）⁴Ｉ_13/2レベルに対応し、レベル２は⁴Ｉ
_15/2レベルに対応しかつレベル３はポンプ吸収帯域に対
応する。図５において示されるように、文字Ｒ、Ａ_ijお
よびＷ_ijは様々なレベル１、２および３からの様々な割
合を規定する。Ｒはポンピング率であり、Ａ_ij＝γ_ij ^-1
は特性寿命γ_ijを有するレベルｉからレベルｊへの自然
減衰率である。たとえば、エルビウムファイバが蛍光を
発するとき、蛍光寿命はγ₂₁によって与えられ、すなわ
ち、それはレベル２およびレベル１の間の遷移の寿命で
ある。最終的に、Ｗ_ijは誘導（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ）
放出率である。

【００５７】原子集団に対する時間依存率方程式は１９
８９年８月１５日に発行されたＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ、第１４巻の第１６号、「エルビウムドープされ
たファイバ増幅器における過渡利得および漏話（Ｔｒａ
ｎｓｉｅｎｔＧａｉｎａｎｄｃｒｏｓｓ−ｔａｌｋ
ｉｎＥｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒＡｍｐ
ｌｉｆｅｒｓ）」と題されたＣ．Ｒ．Ｇｉｌｅｓおよ
びＥ．Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅによる論文において与えられ
る。この論文はこれによって引用により援用される。そ
れらの方程式は、

【００５８】

【数６】である。

【００５９】上の表記を有して、レベル集団Ｎ₁および
Ｎ₂に対する時間依存率方程式は、

【００６０】

【数７】

【００６１】

【数８】である。

【００６２】利得飽和のこの分析において、飽和の効果
の非線形性質のためにファイバ全体に沿う利得ダイナミ
クスを研究することは不可能である。しかしながら、フ
ァイバ入力の端縁で利得ダイナミクスを研究することは
可能であり、そこではファイバへのポンプ信号入力およ
びファイバによって放出された信号は一定の初期状態に
よって固定されている。計算を簡素化するために、Ｗ₁₂
およびＷ₂₁は同じ値Ｗと等しいと仮定される。入力ファ
イバ端縁（ｚ＝０）でのＷおよびＲがある期間の間の時
間において同じ定数値を有すると仮定すると、方程式数
７および数８は積分の後以下の解答をもたらし、それ
は、

【００６３】

【数９】である。

【００６４】時定数ω₁ ^-1およびω₂ ^-1は特性減衰時間
であり以下の式によって与えられ、それは、

【００６５】

【数１０】

【００６６】

【数１１】上記の方程式において、数１０および数１１、Ｐ
_p（０）ならびにＰ_s（０）はそれぞれｚ＝０、すなわ
ち、ファイバの入力端縁での入力ポンプ電力およびジャ
イロスコープ信号電力である。Ｐ^th _pは反転分布に対す
るポンプスレッショルドであるが、Ｐ_satはジャイロス
コープ信号飽和電力である。ポンプスレッショルド電力
の値および飽和電力の値は理論的に計算され得る。レベ
ル１およびレベル２の間の反転分布はＮ₂−Ｎ₁の差に
よって与えられる。方程式数１５は反転の時間依存性が
方程式によって与えられる比率αおよびβによって仲裁
されるということを示し、その方程式は、

【００６７】

【数１２】

【００６８】

【数１３】である。

【００６９】ポンプスレッショルドＰ^th _pおよび飽和電
力Ｐ_satがγ₂₁ ^-1に逆に比例するという事実はＰ
_p（０）／Ｐ^th _pが１よりも遙かに大きいときまたはＰ
_s（０）／Ｐ_satが１よりも遙かに大きいとき時定数ω
₁およびω₂が実際に超蛍光寿命から独立しているとい
うことを暗示する。

【００７０】ポンプレベルγ₃₂からの減衰時間が超蛍光
時間γ₂₁と比較して一般的に非常に短いエルビウムガラ
スの場合において、比率ε＝γ₃₂／γ₂₁はほぼ０になり
得る。方程式数９の解はレベル１および２の集団をもた
らし、それは、

【００７１】

【数１４】

【００７２】

【数１５】であり、ここでＮ⁰ _i＝Ｎ⁰ _i（０、０）である。

【００７３】レベル３の集団は以下の方程式によって与
えられ、

【００７４】

【数１６】である。

【００７５】方程式数１４および数１５から、Ｎ₁およ
びＮ₂が２つの項の和として表わされることができると
いうことが演繹され、第１の項はω₁ ^-1特性１／ｅ寿命
を有しかつｔ−＞ ∞に対して消滅する時間依存項であ
り、第２の項は一定でありかつ定常体制（ｒｅｇｉｍ
ｅ）に対応する。

【００７６】以下の分析は方形パルスがファイバへ入力
されると想定する。同じタイプの分析が正弦信号のよう
な異なる波形を有する変調信号に対して実行され得ると
いうことが当業者には明らかであろう。方形波形は問題
を分析的に扱いやすくするように選択された。△Ｔの長
さの飽和信号パルスはこのようにファイバへ入力され
る。パルスの長はω₁ ^-1よりも遙かに大きいものとして
選択される。

【００７７】方程式数１４および数１５は時間依存反転
△Ｎ₁₂（ｏ、ｔ）の以下の表現をもたらし、それは、

【００７８】

【数１７】

【００７９】

【数１８】である。

【００８０】時間依存反転△Ｎ₁₂（ｏ、ｔ）のプロット
を示す図６に対して参照がなされる。図６は時間依存反
転△Ｎ₁₂（ｏ、ｔ）が信号パルスの間減衰するというこ
とを示す。この位相は飽和体制と呼ばれる。信号がオフ
にされるとき、時間依存反転△Ｎ₁₂（ｏ、ｔ）はその初
期値に復帰する。この位相は復帰体制と呼ばれる。典型
的に、飽和および復帰体制は△Ｔ_sおよび△Ｔ_rによっ
て測定され、それは飽和位相および復帰位相それぞれの
間の時間反転の９０％値および時間反転の１０％値の間
で経過した時として規定される。

【００８１】上記の分析は今、利得ダイナミクスの制動
効果が時間変化の飽和信号（この理論的な分析における
方形波形のような）によって誘起された利得変調が信号
周波数が増加するにつれて消滅することを引起こすとい
うことを演繹することを許可する。ファイバにおいてｔ
＝０で周波数１／２△Ｔ入力を有する方形波形変調信号
に対して、相関の反転変調、すなわち変調利得は方程式
によって与えられ、

【数１９】そこにおいてＢはｆ／２およびｆ＝１／△Ｔである。項
δ（△Ｎ₁₂）は連続する方形パルスの端縁での反転にお
ける差異である。

【００８２】

【数２０】は平均反転であり、Ｋは一定でありかつωおよびω′は
以下のように与えられ、それは、

【００８３】

【数２１】である。

【００８４】方程式数１９は変調が周波数の高い値に対
して消滅しかつ周波数の低い値に対して最大値であると
いうことを示す。

【００８５】参照が図７に対して与えられそこでは、相
対反転変調（利得変調）はαおよびβの異なる値に対し
て周波数の関数としてプロットされる。図７はログ−ロ
グプロットにおいて、傾斜が５００Ｈｚまでのエルビウ
ムに対してほぼ０でありかつ−１を越えて変化するとい
うことを示す。漏話の相対飽和誘導された変調は５００
Ｈｚ−１ｋＨｚのあたりの周波数で減少し始めかつ１０
００ｋＨｚ（１Ｍｈｚ）を越える周波数で消滅し始め
る。図７は相対入力ポンプおよびジャイロスコープ信号
電力の異なる値に対するプロットを示す。実線はγ₂₁＝
１４ｍｓに対応する。点線はγ₂₁＝１０ｍｓに対応す
る。点線は右へと移される。このことは上位レーザ動作
寿命の低い値に対して、スレッショルド周波数がより大
きいということを図示する。

【００８６】エルビウムドープされたファイバにおい
て、飽和誘起された利得変調はスレッショルド周波数ｆ
＝１ｋＨｚのあたりで消滅する。上位レーザ動作レベル
における集団はアップポンピングおよび励起された放出
率の間で釣合いが確立されるとき変調レーザ信号の変調
と歩調をそろえて変化する。結果として、反転分布は信
号の変調と歩調を変化しかつこれゆえに利得変調を誘起
する。変調周波数が増加すると、反転分布は上位レーザ
動作レベルが上位ポンプレベルを介して接地状態から定
められる（ｐｏｐｕｌａｔｅｄ）ゆっくりした割合のた
めに信号の強度変化に従うことをやめる。源信号は変調
信号からのいずれの合成変調をも有さない上位レーザ動
作レベルにおける準定常分布密度を調べる。

【００８７】この発明は逆方向ポンピングの利点および
ジャイロスコープ信号の増幅器としての光源の使用を組
み合わせ、かつ３４ｍＷの源出力電力レベルで源特性の
不安定性または他の顕著な劣化なしに動作を可能とす
る。このことは以前の順方向ポンプされたシステムに対
して１桁以上の改良を表わしかつ源雑音制限された回転
感度が達成されることを可能にする。組み合わされた源
および増幅器としての源の動作は電子処理を簡素化する
ことができる大いに増加された検出器出力レベルを伴う
ジャイロ性能を可能にする。好ましい実施例と関連して
上で説明されたが、発明の範囲内の修正が当業者に対し
て明らかであり得り、かつそのような修正のすべてがこ
の発明の特許請求の範囲内であるということが意図され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】逆方向ポンプされた超蛍光ファイバ源を含み、
干渉計の出力が、検出される前に超蛍光ファイバ源にお
いて増幅される、この発明に従ったサニャック干渉計の
絵で表わした図解である。

【図２】図１において線１−１に沿ってとらえられる二
重クラッドネオジウムドープされた光ファイバの断面図
である。

【図３】図１に表される干渉計の超蛍光ファイバ源の出
力スペクトルである。

【図４】図１の干渉計の出力を記載する図である。

【図５】異なるレーザ遷移を示すエルビウムガラスの簡
素化されたエネルギーレベル図である。

【図６】△Ｔの長さの飽和パルスが超蛍光ファイバレー
ザ源に入力されるとき反転分布△Ｎ₁₂（ｏ、ｔ）におけ
る変化を図示しかつ初期状態への復帰へと続いていく飽
和体制を示す。

【図７】周波数に対する相関の飽和誘起変調のプロット
である。

【符号の説明】

１００光源１０２干渉計１１０光ファイバ１２２ダイクロイックミラー１２７レンズ１２９レンズ１３０光ファイバ１４２感知ループ１５０検出器１５８変調器１６０偏波器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｇ０２Ｂ 6/00 Ｂ (72)発明者ケネス・エイ・フェスラーアメリカ合衆国、94086 カリフォルニア州、サニィベイル、ポーク・アベニュ、1134 (72)発明者マイケル・ジェイ・エフ・ディゴネットアメリカ合衆国、93406 カリフォルニア州、パロ・アルト、ハーバード・ストリート、2307 (72)発明者ビョン・ユン・キム大韓民国、ソウル、ソンパー区、ジャムシルドン、101、ウー・スン・アパートメンツ、13−905 (72)発明者ハーバート・ジェイ・ショウアメリカ合衆国、94305 カリフォルニア州、スタンフォード、アルバラド・ロウ、719 (56)参考文献特開昭60−157278（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−100707（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−134887（ＪＰ，Ａ) 特開平３−28830（ＪＰ，Ａ) 特開平１−142435（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−115027（ＪＰ，Ａ) 特表平１−502612（ＪＰ，Ａ) 特表平４−501037（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】感知ループ（１４２）、前記感知ループ
（１４２）に結合され入力光信号を前記感知ループ（１
４２）へと入力するための光源（１００）、および前記
感知ループ（１４２）を介して伝播する光を変調する変
調器（１５８）を含む干渉計であって、前記干渉計は、前記光源（１００）が前記感知ループ（１４２）によっ
て出力されかつかつ前記変調器（１５８）によって変調
された前記光信号を受信し、前記光源（１００）は前記
出力信号の変調に依存する反転変調を示す光放出媒体を
含み、前記反転変調は遷移周波数より低い出力信号変調
周波数に対して相対的にハイでありかつ出力信号の変調
周波数が遷移周波数を越えて増加するとき減少し、前記変調器（１５８）は前記出力信号の前記変調が前記
遷移周波数を十分に越えた周波数となって実質的に前記
反転変調を削減することを引起こす周波数で駆動される
ことを特徴とする、干渉計。
【請求項２】前記変調器（１５８）がｆ_m＝ｖ／２Ｌ
に従って実質的に選択された周波数ｆ_mを有する位相変
調器を含み、そこではｖが感知ループ（１４２）を介し
て伝播する光の速度でありかつＬが位相変調器および感
知ループ（１４２）の第１の端縁、ならびに位相変調器
および感知ループ（１４２）の第２の端縁の間で感知ル
ープ（１４２）に沿って測定された差動距離である、請
求項１に記載の干渉計。
【請求項３】前記出力信号変調がｆ_mの周波数成分を
有する、請求項２に記載の干渉計。
【請求項４】前記出力信号変調が約１ｋＨｚと以上の
周波数を有する、前記の請求項のいずれか１つに従う干
渉計。
【請求項５】前記出力信号変調が１００−２００ｋＨ
ｚに類する周波数を有する、前記の請求項のいずれか１
つに従う干渉計。
【請求項６】前記遷移周波数が実質的に１ＭＨｚより
も少ない、前記の請求項のいずれか１つに従う干渉計。
【請求項７】前記遷移周波数が約５００Ｈｚのオーダ
ーである、請求項６に従う干渉計。
【請求項８】前記出力信号が増幅のために前記光源
（１００）を通過し、前記干渉計は前記出力信号が前記
光源（１００）通過した後で前記出力信号を受けとるよ
うに位置決めされた検出器（１５０）をさらに含む、前
記の請求項のいずれか１つに従う干渉計。
【請求項９】前記光源（１００）がエルビウムドープ
された光ファイバを含む、前記の請求項のいずれか１つ
に従う干渉計。
【請求項１０】前記光源（１００）がクラッディング
を有する光ファイバを含む、前記請求項のいずれか１つ
に従う干渉計。
【請求項１１】前記光源（１００）がポンプ光を前記
グラッディング内に導入するように結合された光ポンピ
ング源（１２０）を含む、前記の請求項のいずれか１つ
に従う、干渉計。
【請求項１２】前記光源（１００）および前記ループ
（１４２）の間に位置づけされる偏波器（１６０）をさ
らに含み、前記源（１００）からの入力光が前記偏波器
（１６０）を介して通過しかつ前記ループ（１４２）か
らの光出力もまた前記偏波器（１６０）を介して通過す
るようにされている、前記の請求項のいずれか１つに従
う干渉計。
【請求項１３】感知ループ（１４２）、前記感知ルー
プ（１４２）に結合された光源（１００）、変調器（１
５８）および検出器（１５０）を含む干渉計であって、前記光源（１００）は前記感知ループ（１４２）への入
力のための入力光信号を生じかつ前記感知ループ（１４
２）から出力信号を受信し、前記出力光は前記光源（１
００）によって増幅され、増幅された出力信号をそれが
前記検出器（１５０）によって検出されるべく提供し、
前記光源（１００）は同時に前記入力光信号を前記感知
ループ（１４２）へ入力しかつ前記感知ループ（１４
２）からの前記出力信号を増幅し、前記変調器（１５８）は感知ループ（１４２）を介して
伝播する光を変調し、前記変調器（１５８）は前記光源
（１００）において利得変調を抑圧する周波数で駆動さ
れることを特徴とする干渉計。
【請求項１４】感知ループ（１４２）および検出器
（１５０）を有する干渉計を製造する方法であって、放出媒体を有する光源（１００）を前記ループ（１４
２）へと結合するステップと、前記ループ（１４２）からの出力信号が前記出力信号を
増幅するために前記源（１００）を介して通過するよう
に前記感知ループ（１４２）および前記検出器（１５
０）の間に前記光源（１００）を位置決めするステップ
と、前記出力信号が変調されるように変調器（１５８）を前
記ループ（１４２）へと結合するステップと、前記出力信号の反転変調に誘起された変調が実質的に解
消されるように前記放出媒体の反転変調特性に関して十
分にハイである周波数ｆ_mで前記変調器（１５８）を駆
動するように発生器を結合するステップとを含む製造方
法。
【請求項１５】前記変調器（１５８）が位相変調器を
含み、ｆ_m＝ｖ／２Ｌであり、そこではｖが感知ループ
（１４２）を介して伝播する光の速度でありかつＬが位
相変調器および感知ループ（１４２）の第１の端縁、な
らびに位相変調器および感知ループ（１４２）の第２の
端縁の間で感知ループ（１４２）に沿って測定された差
動距離である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】前記光源（１００）がエルビウムドー
プされた光ファイバを含む、請求項１４または１５に記
載の方法。
【請求項１７】感知の方法であって、増幅された出力信号を与えるように干渉計からの出力信
号を増幅するステップと、前記増幅された出力信号を検出するステップと、前記出力信号の前記増幅よりも前に前記出力信号が変調
されるように前記干渉計において伝播する光を変調する
ステップと、前記増幅の間前記出力信号の反転変調に誘起された変調
を避けるために十分にハイである前記変調のための周波
数を利用するステップとを含む感知の方法。
【請求項１８】増幅のステップが放出媒体を含む光フ
ァイバを介して前記出力信号を通過させるステップを含
む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】放出媒体がエルビウムドープされたシ
リカを含む、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】感知の方法であって、入力光信号を感知ループ（１４２）に入力するステップ
と、変調された出力信号を前記感知ループ（１４２）から出
力するステップと前記入力光信号を前記感知ループ（１
４２）へと入力するステップと同時に前記出力信号を増
幅するステップとを含み、前記増幅ステップは利得媒体
を介して前記出力信号を通過させるステップを含み、前記利得媒体において反転変調を抑圧するために前記変
調の周波数を選択するステップと、前記利得媒体による増幅の後前記出力信号を検出するス
テップとをさらに含む感知の方法。