JP2665572B2 - 能動媒質からなる光導波路を含む光源とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【関連出願】この出願は１９９０年９月１８日に出願さ
れた米国特許出願連続番号第５８４，８０６号の一部継
続出願である。この出願は親出願の同じ渡受人に譲渡さ
れる。

【０００２】

【この発明の背景】この発明は光源の分野においてであ
り、かつより特定的には、光ファイバがレーザ動作する
ことができる媒質にドープされ、かつ光ファイバが検出
器によって検出されるべき出力信号を発生するためにポ
ンプ光信号によってポンプされる、希土類ドープされた
超蛍光ファイバ源の分野においてである。

【０００３】光ファイバはますます数が増える応用のた
めに使用されている。１つのこのような応用は、２つの
光信号がその中へ導入されかつその光ループの周りを逆
伝搬することを引き起こされる光ファイバのループを含
む光ファイバ回転感知器である。このような回転感知器
は、たとえば米国特許第４，４１０，２７５号、米国特
許第４，４５６，３７７号、米国特許第４，４８７，３
３０号、米国特許第４，６３４，２８２号、および米国
特許第４，６３７，７２２号において記述されている。
これらの特許はここに引用により援用される。このよう
な回転検知器のために、かつ他の光ファイバ応用のため
に、よく制御された安定した光源を有することが望まし
い。

【０００４】ある光ファイバ回転検知器のようないくつ
かの応用には、短い時間コヒーレンス長を有しかつより
長い波長における縦モード構造を有さない高電力広帯域
光学エネルギ源が望ましい。広帯域光学エネルギ源を光
ファイバ回転検知器において使用することは、たとえ
ば、カー効果によって引き起こされる位相誤りを減少す
るということが示されてきた。広帯域光信号はまた、コ
ヒーレンス後方散乱（すなわち、レイリ後方散乱）によ
って、かつループにおける分極交差結合によって、引き
起こされる回転感知器のループからの結合された光信号
における位相誤りを減少するために有利に使用され得
る。たとえば、これらすべてがこの出願の譲受人に譲渡
されている、米国特許第４，７７３，７５９号、１９８
３年４月２６日に出願された米国特許出願連続番号第４
８８，７３２号、および１９８６年９月１９日に出願さ
れた米国特許出願連続番号第９０９，７４１号を見よ。
これらの特許および特許出願はここに引例により援用さ
れる。ファイバジャイロスコープに対する広域源必要に
関する理論的分析は、１９８３年３月光波技術機関紙
（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ）、ＬＴ−１巻、１号、９８頁ないし１
０５頁、Ｗ．Ｋ．バーンズ（Ｂｕｒｎｓ）、他による
「広帯域源を有する光ファイバジャイロスコープ（Ｆｉ
ｂｅｒ−ＯｐｔｉｃＧｙｒｏｓｃｏｐｅｓ ｗｉｔｈ
Ｂｒｏａｄ−Ｂａｎｄ Ｓｏｕｒｃｅｓ）」において見
つけられ得る。この論文はここに引用により援用され
る。光ファイバ回転感知器はまたほとんど熱のドリフト
のない高度に安定した平均波長を有する源を必要とす
る。回転感知器源はまた、大きい雑音成分（高い信号／
雑音比率）を作ることなく回転感知器に高電力を結合す
る能力を有しなくてはならない。最後に、理想的な回転
感知器源は、好ましくは、放射に対するいかなる感度も
減少させるために源の光スペクトラムのより高い波長領
域において動作する。

【０００５】このような広帯域光源は、たとえば超蛍光
発光ダイオードおよび同様のものを含む。例示の超蛍光
ダイオードは、たとえば、８００ないし８５０ｎｍの範
囲における光波長において比較的広い光の線幅（たとえ
ば約１５ｎｍ）を有する。しかしながら、所与の電力入
力に対して、例示の超蛍光ダイオードは、たとえばレー
ザと比べられたとき適当な量の光エネルギを与えないか
もしれない。より重要なことは、超蛍光ダイオードはジ
ャイロスコープのようなある光学装置に容易に結合され
得ないことで、なぜなら超蛍光ダイオードによって放出
された光は非常に発散するからである。特に、超蛍光ダ
イオードによって生じた電力は単一モードファイバに能
率的に結合することが困難である。さらに、典型的な超
蛍光ダイオードの放出波長の温度安定性が多数の応用に
対して満足のいくものでないことが知られている。超蛍
光ダイオードの平均波長は約−３００ｐｐｍ／℃に変化
し、それは約１ｐｐｍに安定した平均波長をしばしば必
要とする高感度ジャイロスコープ応用に対しては不適当
である。

【０００６】より最近では、スニッツァー（Ｓｎｉｔｚ
ｅｒ）、他に対する米国特許第４，６３７，０２５号
は、ネオジムのような選択された活性レーザ材料にドー
プされたコアを有する光ファイバを含む超放射光源を記
述した。

【０００７】１９８８年１２月７日に出願された米国特
許出願連続番号第２８１，０８８号は、多重化結合器に
結合するレーザ材料でドープされたファイバを含む超蛍
光ファイバ源を開示する。この出願は本出願の譲受人に
譲渡されている。このような超蛍光源はよい出力電力を
有しかつ光ファイバ回転感知器に容易に結合する。それ
は縦の空洞モードを有さず、かつよい熱安定性を示す。
そのスペクトラムは共振レーザ源よりはるかに広い。上
記の特許および特許出願はここに援用により引用され
る。

【０００８】１９８８年４月１日に出願された米国特許
出願連続番号第１７６，７３９号はネオジムのようなレ
ーザ動作材料でドープされた光ファイバを使用する光源
を記述する。この出願は本出願の譲受人に譲渡されてお
り、かつここに引用により援用される。光ファイバは、
ポンプ波長と異なる第２の波長における光信号の自然放
出を引き起こすように選択された、ポンプ波長を有する
ポンプ光信号によってポンプされる。ポンプ光信号の波
長は、ネオジムドープされた光ファイバのポンプ可変同
調範囲（すなわち、ポンプ波長に対して一般的に１対１
対応の平均波長を有する放出された波長を刺激するポン
プ波長の範囲）の外側になるように選択される。ポンプ
可変同調範囲の外側のポンプ信号によるポンピングは、
放出された光に、実質的にすべてのポンプ可変同調範囲
に対応する放出波長を有する縦モードの広いスペクトラ
ルエンベロープを有することを引き起こす。

【０００９】したがって、ネオジムドープされた超蛍光
ファイバ源は共振空洞レーザかまたは超蛍光ダイオード
かのどちらかによって持ち上げられた問題を緩和する。
このような源はミリワットの電力を広帯域スペクトラム
およびよい熱安定性で光ファイバジャイロスコープの中
に運ぶことができる。

【００１０】近年、エルビウムドープされたファイバ
は、可能な源として、かつ１５００ｎｍにおける低損失
ファイバ通信ウィンドウにおける増幅目的のためにます
ます注目を受けてきた。エルビウムドーパントがファイ
バに、典型的にはシリカファイバに適切にドープされる
とき高利得を得ることができる。エルビウムドープされ
たファイバによって放出された光は同様のモードサイズ
を有する他のファイバに容易に結合する。エルビウムド
ープされたファイバはまた、熱的に比較的安定である。
さらに、エルビウムドープされたファイバはネオジムド
ープされたファイバより長い波長の光を放出し、それは
それらを放射誘導された損失機構に対してそれほど感応
的でないようにする。

【００１１】増幅された自然放出の理論的分析は、１９
８９年５月、光波技術機関紙、７巻、５号、８３５頁な
いし８４５頁、Ｅ．デスルビール（Ｄｅｓｕｒｖｉｒ
ｅ）、他による論文「エルビウムドープされた単一モー
ドファイバにおける自然放出の増幅（Ａｍｐｌｉｆｉｃ
ａｔｉｏｎ ｏｆ ＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓ
ｉｏｎ ｉｎ Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｓｉｎｇｌ
ｅ−ＭｏｄｅＦｉｂｅｒ）」において見つけられ得る。
１５３５ｎｍでの超蛍光源としてエルビウムドープさ
れ、かつ９８０ｎｍでポンプされたシリカファイバの動
作はまた、１９８９年ハイデルベルク（Ｈｉｄｅｌｂｅ
ｒｇ）、スプリンガ−バーラッグベルリン（Ｓｐｒｉｎ
ｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ Ｂｅｒｌｉｎ）「光ファイバ感
知器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ
ｓ）」における４４巻、物理学におけるスプリンガ会報
（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｉｎ
Ｐｈｙｓｉｃｓ）、Ｐ．Ｒ．モーケル（Ｍｏｒｋｅｌ）
による論文「ファイバジャイロスコープのためのエルビ
ウムドープされたファイバ超蛍光源（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄ
ｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅ
ｎｔ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｉｂｅｒ Ｇ
ｙｒｏｓｃｏｐｅ）」においてもまた報告されている。
この論文は、ポンプ電力およびファイバ長を有する超蛍
光出力電力の変化を分析し、かつファイバ長、ポンプ電
力およびファイバ温度への超蛍光放出のスペクトラムの
依存を認める。しかしながら、この論文は出力スペクト
ラムの熱変化を最小にするための方法は提案しない。

【００１２】ネオジムドープされたおよびエルビウムド
ープされたファイバ源の両方は超蛍光ダイオードおよび
共振空洞レーザよりはるかに良い温度安定性を有する
が、ほとんど熱ドリフトがなく高量子効率を有する光フ
ァイバ構造を使用した高電力光源に対する必要がなおあ
る。

【００１３】したがって、超蛍光ファイバ源の量子効率
および熱依存を実質的に改良することがこの発明の目的
である。小型で高能率および本質的に低温度感度を有す
る、ファイバ感知器において使用され得るであろう安定
動作特徴を有する光源を得ることはこの発明のさらに他
の目的である。

【００１４】

【発明の概要】この発明の第１の局面に従うと、光の放
出を能動媒質において誘導するために、ポンプ波長にお
けるポンプ信号でのポンピングに応答する能動媒質から
なる光導波路を含む光源が開示されており、放出された
光の少なくとも一部は、逆方向伝搬信号を与えるために
ポンプ信号のそれとは反対の方向で伝搬し、前記導波路
の長さは前記逆方向信号の量子効率が５０％より大きく
なるように選択される。

【００１５】ポンプ源はレーザダイオードであってもよ
い。光導波路はレーザ動作する材料にドープされた単一
モードのファイバを含んでもよい。能動媒質は好ましく
はエルビウムのような３準位系を含む。光導波路は入力
端部および出力端部を有する光ファイバを含んでもよ
く、かつ光ファイバの入力端部に最も近く位置決めされ
た反射器を有してもよい。反射器は、放出された放射に
対して実質的に反射性があり、かつポンプ光に対して実
質的に伝送性があってもよい。別の形状においては、そ
れは放出された放射に対して実質的に伝送性があり、か
つポンプ光に対して実質的に反射性があり得る。それは
ダイクロイックミラーを含んでもよい。

【００１６】この発明の別の局面に従うと、能動媒質に
おいて光信号の放出を誘導するためにポンプ波長でのポ
ンピングに対して応答する能動媒質からなる光導波路を
含む光源が開示され、放出された光の信号は順方向信号
を含み、かつ逆方向信号は反対の方向に伝搬され、導波
路は順方向信号が最大である最適な長さによって特徴付
けられ、導波路の長さは最適な長さより大きく選択され
る。

【００１７】逆方向信号は好ましくは実質的には順方向
信号より大きい。能動媒質は好ましくは３準位系であ
り、かつ順方向信号は実質的には基底状態吸収によって
減衰される。逆方向信号の量子効率は実質的には順方向
信号の量子効率より大きくなり得る。

【００１８】この発明の別の局面に従って、能動媒質か
らなる光導波路を含む光源が開示され、導波路は順方向
伝搬方向および逆方向伝搬方向を有し、導波路は逆方向
伝搬方向においてポンプ波長でのポンピングに応答し、
そのため能動媒質における光信号の放出を誘導し、導波
路の長さは実質的に逆方向伝搬方向において、順方向伝
搬方向においてより多い放出があるように選択される。
ポンピング光は好ましくは能動媒質において光の超蛍光
放出を誘導し、かつ光信号は好ましくは第２の波長で放
出される。順方向信号は実質的にゼロになり得る。

【００１９】この発明の別の局面に従って、干渉計と、
ポンプ光を放出するポンプ光源と、能動媒質において第
２の波長での光信号の放出を誘導するためにポンプ波長
でのポンピングに応答する能動媒質からなる光導波路を
含む光源とを含む装置が開示され、放出された光信号は
順方向信号および反対の方向に伝搬する逆方向信号を含
み、導波路の長さは逆方向信号の量子効率が５０％より
大きいように選択される。干渉計は好ましくはサニャッ
ク干渉計を含む。光導波路はエルビウムドープされた単
一モード光ファイバを含んでもよい。

【００２０】この発明のさらに他の局面に従って、能動
媒質からなる光導波路を含む光源を製造する方法が開示
され、この方法は、能動媒質が光信号を放出することを
引き起こすために、ポンプ源を能動媒質にポンプ波長に
おいて光学的に結合するステップを含み、放出された光
信号は順方向信号および反対の方向に伝搬する逆方向信
号を含み、かつ逆方向信号の量子効率が５０％より大き
くなるように導波路の長さを選択するステップとを含
む。

【００２１】この発明の方法は、能動媒質の能動材料を
希土類群の中から、かつより特定的には３準位系の中か
ら選択するステップを含んでもよく、かつ前記順方向信
号が実質的にゼロになるように前記長さを選択するステ
ップをさらに含んでもよい。

【００２２】

【好ましい実施例の詳細な説明】超蛍光源（Ｓｕｐｅｒ
ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｓｏｕｒｃｅｓ）（ＳＦＳ）は
増幅された自然放出（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔ
ａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）（ＡＳＥ）を介して
放出された光を出力する共振しないファイバ源に関連す
る。それらは典型的にはレーザ動作する材料でドープさ
れた活性ファイバの単一の撚線のような導波路を含む。
ファイバは単一の通過利得が非常に大きくなる十分な高
レベルに光学的に端部ポンプされ、そのためファイバコ
アによってつかまえられかつファイバを通って進む自然
放出された光量子は大きい増幅を経験する。ファイバの
出力電力はファイバの中へ送り出すポンプ電力のかなり
の部分に達することができる。

【００２３】光ファイバはエルビウムまたはネオジムの
ようなレーザ動作材料でドープされ得、そのため１つま
たはいくつかの放出波長でファイバの両端部を介して出
力光を発生する。光ファイバ源は順方向に、すなわちポ
ンプ信号の伝搬の方向に、および逆方向、すなわちポン
プ信号の伝搬の反対の方向の双方に放出を生じる。遷移
の最も簡単な型は４準位レーザ遷移であり、それはＮ
ｄ：シリカ系によってよく表わされる。ポンプ光量子は
基底状態からはるかにより高いポンプ状態へ吸収され
る。緩和は長く続く上部のレーザ状態に対して迅速に発
生する。レーザ遷移はこの励起された状態とより低いレ
ーザ状態との間で起こり、それは基底状態に素早くから
にされ戻されるべきである。より低いレーザ状態がから
のままであるので信号吸収は４準位利得媒質においては
存在しない。ネオジムドープされたシリカにおける１０
６０ｎｍ ⁴ Ｆ_3/2 −＞⁴ Ｉ_11/2遷移のような４準位レ
ーザ遷移においては、順方向および逆方向出力電力は、
もしファイバ損失が単一通過利得と比較して無視してよ
いものであれば、実質的に等しく、それは一般的に事例
である。

【００２４】Ｅｒ：シリカの３準位遷移はネオジムに対
して記述された４準位遷移より相当複雑である。このよ
うなシステムでは、基底状態およびより低いレーザ状態
は結合され単一の状態になる。これゆえ、ボルツマン統
計に従い上部および下部のレーザ準位の双方は占められ
たままである。信号放出および信号吸収は両方とも起こ
り得る。これらの２つのプロセスは、各場合において作
用する準位の占有の確率によって重み付けられる別個の
放出および吸収断面積を規定することによって分離され
る。放出は上部のレーザ状態の占められた下部の準位か
ら下部のレーザ状態へ発生し、一方、吸収は下部のレー
ザ状態の占められた下部の準位から上部のレーザ状態へ
発生する。エルビウムドープされたシリカにおける１５
５０ｎｍ⁴ Ｉ_13/2−＞⁴ Ｉ_15/2遷移のような３準位レー
ザ遷移においては、順方向信号は基底状態吸収によって
逆方向信号より強く減衰され、かつ一般的に後者より弱
い電力を搬送する。

【００２５】こうして、１０６０ｎｍ付近のＮｄ：Ｓｉ
Ｏ₂ ファイバ源と１５５０ｎｍ付近のＥｒ：ＳｉＯ₂ フ
ァイバ源との動作の間にいくつかの重要な違いが存在す
る。上で述べられたように、ネオジムドープされたシリ
カにおける１０６０ｎｍ ⁴ Ｆ_3/2 −＞⁴ Ｉ_11/2遷移は
４準位レーザ遷移であり、一方エルビウムドープされた
ファイバにおける１５５０ｎｍ ⁴ Ｉ_13/2−＞⁴ Ｉ_15/2
遷移は３準位レーザ遷移である。エルビウムドープされ
たファイバでは、信号はポンプされていないファイバを
通って進むとき強い基底状態吸収（ＧＳＡ）を被る。比
較的大量のポンプ電力は、反転分布および純利得をまさ
に作るためにファイバによって吸収されねばならない。

【００２６】第２の違いは、特に５１４．５ｎｍ、６０
０ｎｍおよび８００ｎｍ付近の標準の実験用のレーザに
よって容易に覆われるＥｒ：ＳｉＯ₂ のポンプバンドの
いくつかに対しては、ポンプ光量子が励起状態吸収（ｅ
ｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（Ｅ
ＳＡ）として知られている機構である上部レーザ状態か
らの著しい吸収を被る。この不所望の効果はまた増加さ
れたポンプ電力の必要の結果をもたらす。しかしなが
ら、ポンプＥＳＡが無視されてもよい、すなわち９８０
および１４８０ｎｍ付近の２つの有用なポンプバンドが
同定されてきた。よりよいポンプ源がないために、初期
の実験調査はλ_p ＝５１４．５および８００ｎｍにおけ
る装置を操作した。より最近では、装置は色素レーザま
たはチタンサファイアレーザを使用して２つのＥＳＡの
ない波長のどちらかでポンプされてきた。たとえば、オ
キ（Ｏｋｉ）のモンテレイ会議論文（Ｍｏｎｔｅｒｅｙ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐａｐｅｒ）、および１９９０
年３月、ＩＥＥＥ光量子技術通信（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔ
ｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏ．Ｌｅｔｔ．）２、３、１５３頁
ないし１５５頁、Ｄ．Ｐ．バウール（Ｂｏｕｒ）、他に
よる「エルビウムドープされたファイバ増幅器をポンプ
するための９８０ｎｍダイオードレーザ（９８０ｎｍ
Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ ｆｏｒ Ｐｕｍｐｉｎｇ Ｅ
ｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉ
ｅｒｓ）」、１９８８年１２月、光学通信（Ｏｐｔｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）１３、１２、１０８４頁ないし１
０８６頁、Ｒ．Ｉ．ラミング（Ｌａｍｉｎｇ）、他の
「エルビウムドープされたファイバにおけるポンプされ
た励起状態吸収（Ｐｕｍｐｅｄ Ｅｘｃｉｔｅｄ Ｓｔ
ａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｒｂｉｕｍ−
Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒｓ）」、１９８９年、物理学に
おけるスプリンガ会報、光ファイバ感知器、４４巻、１
４３頁、Ｐ．Ｒ．モーケル（Ｍｏｒｋｅｌ）の「ファイ
バジャイロスコープのためのエルビウムドープされたフ
ァイバ超蛍光源（Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅ
ｒ Ｓｕｐｅｒｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｓｏｕｒｃｅ
ｆｏｒｔｈｅ Ｆｉｂｒｅ Ｇｙｒｏｓｃｏｐ
ｅ）」、１９９０年８月、光学通信１５、１６、８７９
頁ないし８８１頁、Ｐ．Ｆ．ウイソキ（Ｗｙｓｏｃｋ
ｉ）、他の「１５５０ｎｍにおける広スペクトラム、波
長掃引エルビウムドープされたファイバレーザ（Ｂｒｏ
ａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ，Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｗ
ｅｐｔ Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａ
ｓｅｒ ａｔ １５５０ｎｍ）」、１９９０年、ファイ
バレーザ源および増幅器ＩＩ（Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ
Ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＡｍｐｌｉｆｉｅｒｓＩ
Ｉ）、会報ＳＰＩＥ１３７１、Ｐ．Ｆ．ウイソキ他の
「９８０ｎｍ付近でポンプされた１５５０ｎｍ広域帯フ
ァイバ源（１５５０ｎｍ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｆｉｂ
ｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ Ｐｕｍｐｅｄ ｎｅａｒ ９８
０ｎｍ）、および１９９０年３月、ＩＥＥＥ光量子技術
通信２、３、１７８頁ないし１８０頁、Ｐ．Ｆ．ウイソ
キ、他の「高電力１５５０ｎｍ広帯域超蛍光ファイバ源
のスペクトラル特徴（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｃｈａｒａｃ
ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ １
５５０ ｎｍ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｓｕｐｅｒｌｕｍ
ｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｆｉｂｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ）」を
見よ。すべてのこれらの論文はここに引用により援用さ
れる。

【００２７】ポンプ電力への出力電力の依存のための、
および４準位レーザ遷移を有する材料にＳＦＳのドープ
されたしきい値および変換効率のための理論的式が誘導
されており、たとえばそれは１９８９年、光波技術機関
紙、７巻、７号、１００９頁ないし１０１５頁、Ｍ．
Ｊ．Ｆ．ディゴネット（Ｄｉｇｏｎｎｅｔ）による論文
「１０６０ｎｍＮｄ：ＳｉＯ₂ 超蛍光ファイバレーザの
分析（Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ａ １０６０^- ｎｍ Ｎ
ｄ：ＳｉＯ₂ Ｓｕｐｅｒｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｆｉ
ｂｅｒ Ｌａｓｅｒ）」において、および１９８６年、
光波技術機関紙、４巻、１１号、１６３頁ないし１６３
９頁、Ｍ．Ｊ．Ｆ．ディゴネットによる別の論文「超蛍
光ファイバレーザの理論（Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｐ
ｅｒｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ
ｓ）」にある。両方の論文はここに引用により援用され
る。これらの理論的式は、実験で確認されたように、次
のことを予測する、すなわち、ポンプ電力が増加する
と、出力電力は最初ゆっくりと、それからＡＳＥが支配
的になると指数的に、かつ最後には利得が強い循環信号
によって飽和されるようになると直線的に増加する。非
常に高いポンプ電力の限界では、直線状出力領域の傾斜
と定義されるこれらの源の変換効率Ｓは次の式によって
与えられる。

【００２８】

【数１】

【００２９】ｈν_s およびｈν_p の項はそれぞれ信号お
よびポンプ光量子エネルギであり、かつεは定数であ
る。変換効率はまた逆方向信号のおよび順方向信号の量
子効率（ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｅｉｅｎｃｙ）
（ＱＥ）と呼ばれる。出力信号の量子効率はファイバへ
のポンプ信号光量子入力の数に対する出力信号における
光量子の数の比率と定義される。相応じて、逆方向信号
（それぞれ順方向信号）の量子効率は、ファイバへのポ
ンプ信号光量子入力の数に対するファイバの出力端部で
の逆方向（それぞれ順方向）信号による光量子出力の数
の比率と定義される。量子効率はＳＦＳの動作をよく特
徴付ける。いくつかのＳＦＳの配置の型が可能である。
単一通過装置では、順方向と逆方向信号の両方がファイ
バを一度通過する。二重通過装置では、逆方向信号また
は順方向信号がファイバの端部部分を反射することによ
ってファイバの中へ部分的に再注入され、かつそれがフ
ァイバの反対の端部に進むとき増幅を経験する。二重通
過ＳＦＳでは定数εは１と等しいかまたはそれより少な
いかである。したがって、高ポンプ変換効率はｈν_s ／
ｈν_p の比率に近づき、すなわち本質的にすべての吸収
されたポンプ光量子が出力光量子に変換される。単一通
過ＳＦＳでは定数εは４準位系においては１／２と等し
いかまたはそれより少ない。この発明に従う３準位系に
おいてはそれは１／２より大きくなり得る。変換効率は
半分の大きさであり、なぜなら等しい数の光量子が順方
向および逆方向に発生するからである。単一通過源はよ
り高いしきい値、より低い効率、かつ結果として高ポン
プ電力必要を示すが、両方の形状は、したがって、共振
ファイバレーザのそれと比較できる効率で動作され得
る。たとえば、１９８６年、光波技術機関紙、４巻、１
１号、１６３頁ないし１６３９頁、Ｍ．Ｊ．Ｆ．ディゴ
ネットの「超蛍光ファイバレーザの理論」、および１９
８５年２月、応用光学（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．）２４、
３、３３３−３４２、Ｍ．Ｊ．Ｆ．ディゴネットおよび
Ｃ．Ｊ．Ｆ．ゲータ（Ｇａｅｔａ）「光ファイバレーザ
増幅器および発振器の理論的分析（Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ
ａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉ
ｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓａｎｄ Ｏ
ｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ）」を見よ。両方の論文はここに
引用により援用される。

【００３０】それらの物理および動作状態の詳細におけ
る著しい違いもにかかわらず、３準位レーザ遷移に基づ
くＳＦＳはまた、相当な変換効率ならびに高出力電力お
よび効率を示すはずである。たとえば、１９９０年、フ
ァイバレーザ源および増幅器ＩＩ、会報ＳＰＩＥ１３７
３、Ｒ．Ｆ．カルマン（Ｋａｌｍａｎ）の「３準位レー
ザ超蛍光ファイバ源のモデル化（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏ
ｆ ３−ｌｅｖｅｌＬａｓｅｒ Ｓｕｐｅｒｆｌｕｏｒ
ｅｓｃｅｎｔ Ｆｉｂｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ）」を見
よ。この論文はここに引用により援用される。４準位Ｓ
ＦＳとの主要な違いは、順方向および逆方向出力電力が
一般的に基底状態吸収（ＧＳＡ）ゆえに異なることであ
る。信号は利得が正のファイバ領域において発生し、か
つ利得が負のところでは減衰する。端部ポンプされた十
分な長さの３準位ファイバでは、利得はポンプ入力端部
近く、有限な領域にわたり正であり、かつファイバの遠
端の方では負である。他方の端部では、逆方向信号はフ
ァイバの遠端によって影響を受けず、なぜならそれはそ
れを通って進まないからである。最終結果は、順方向信
号がいつも逆方向信号より小さいということである。順
方向および逆方向信号出力電力は高度にポンプされた短
いファイバにおいてのみ同様である。ファイバの長さが
増加するにつれ、順方向および逆方向信号電力間の差は
増加する。

【００３１】有利に、ＧＳＡによって順方向信号が減衰
されるファイバの負の利得領域に沿って、吸収された光
量子のいくらかはまた自然放出を介して再放出される。
逆方向におけるファイバコアによってとらえられた再放
出された光量子の小部分はそれが増幅されるファイバの
正の利得領域を通り進み、かつ逆方向信号における著し
い増加に寄与し得る。この効果はファイバの長さが増加
するとより強くなる。それは、実際非常に強いので、十
分に高いポンプ電力で励起された十分に長いファイバで
は、順方向信号の一部が逆方向信号に変換され、かつ５
０％より実質的に大きい変換効率が逆方向において得ら
れ得る。この動作は、変換効率がどちらの方向において
も５０％を越えない単一通過４準位ＦＳＦのそれとはっ
きりした対照にある。Ｅｒ：ＳｉＯ₂ ＳＦＳは、したが
ってＮｄ：ＳｉＯ₂ ＳＦＳより効率的であるはずであ
る。この発明はこの予期しない効果を使用しかつ実現す
る。

【００３２】図１はこの発明の例示の実施例を示し、そ
れは以下でより詳細に記述されるジャイロスコープのた
めの光源として有利に使用され得る。示されているよう
に、ファイバ源１００は単一モード光ファイバであって
もよい光導波路１１０を含む。図１に示されている実施
例においては、ファイバ１１０はシリカガラスで形成さ
れ、それは選択されたポンプ波長におけるポンプ光信号
に応答して１つまたはいくつかの放出波長における出力
光を放出するエルビウム（Ｅｒ）でドープされている。
たとえば、光ファイバ１１０は５０ｐｐｍないし２００
０ｐｐｍの範囲における濃度のエルビウムでドープされ
てもよい。図１の光ファイバ１１０は約１６００ｐｐｍ
のエルビウムでドープされた従来の電気通信型のＳｉＯ
₂ の光ファイバである。図１において示されている実施
例で使用されている光ファイバ１１０はアルミニウムお
よびリンで同時にドープされてもよい。例示の光ファイ
バ１１０は約２．２ミクロンのコア直径および約８０ミ
クロンのクラッド直径を有する。図１において示されて
いるファイバの開口数ＮＡは０．２である。エルビウム
ドープされた光ファイバがこの発明では好ましいが、光
ファイバ１１０は別の適当なレーザ動作する材料によっ
てドープされ得る。図１の実施例において使用されてい
る光ファイバ１１０はニュージャージ（ＮｅｗＪｅｒｓ
ｅｙ）のＡＴ＆Ｔベル研究所（Ｂｅｌｌ Ｌａｂ）によ
って製造されている。ＧＴＥ Ｉｎｃ．によって製造さ
れているエルビウムドープされたファイバのような他の
光ファイバは容易に入手可能である。

【００３３】光ファイバ１１０は多数の吸収波長におい
て光を吸収することができる。たとえば、６５０ｎｍの
吸収波長においては（Ａｒ⁺ ポンプＤＣＭ色素レー
ザ）、吸収の速度は３００ｐｐｍの濃度のエルビウムを
有するエルビウムドープされたファイバに対しては５ｄ
Ｂ／ｍである。たとえば、１９８７年９月、電気ＬｅＨ
（Ｅｌｅｃｔｒ．ＬｅＨ）、２３、１９巻、１０２６頁
ないし１０２７頁、メアーズ（Ｍｅａｒｓ）、他による
論文「１．５４μｍにおいて動作する低雑音エルビウム
ドープされたファイバ増幅器（Ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅＥｒ
ｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ａｔ １．５４μｍ）」を見
よ。ポンプ放射の十分な強度で、５００ｎｍないし１５
００ｎｍの範囲内であるエルビウムの吸収範囲のポンプ
波長において光信号でポンプされたとき、エルビウムド
ーピングは、ポンプ波長およびポンプ強度に依存して、
約１５２８ｎｍないし約１５８０ｎｍの放出範囲におけ
る光を放出し、このことは以下でより十分に論じられる
であろう。より具体的には、エルビウムの吸収ピークは
５２８ｎｍ、６５０ｎｍ、８００ｎｍ、９８０ｎｍおよ
び１４９０ｎｍ付近である。放出の２つのピークが１５
３３ｎｍおよび１５５９ｎｍにおいてある。１５８０ｎ
ｍには付加的な光の放出があるが、しかしこのような放
出は実質的にはより低い強度を有する。

【００３４】図１を再び参照して、光ファイバ１１０は
第１の端部１１２および第２の端部１１４を有する。第
１の端部１１２に最も近い光ファイバ１１０の第１の端
部部分１１６は、第１の端部部分１１６のための支持を
与えるために、また第１の端部部分１１６の正確な整列
のための手段を与えるために第１のキャピラリ管１１８
内に囲まれてもよい。同様に、第２の端部１１４に最も
近い光ファイバ１１０の第２の端部部分１２０は第２の
キャピラリ管１２２内に囲まれてもよい。第１の端部１
１２および第２の端部１１４の両方は、研磨されかつ磨
かれてもよく、そのため１０°より大きい角度で、たと
えば図１の実施例においては第１の端部部分１１６およ
び第２の端部部分１２０の横軸それぞれに対して約１５
°で、傾く平面状表面１２４、１２６を規定する。傾い
た平面状表面１２４および１２６は反射のないこと、か
つこれゆえに共振構造でないことを保証する。図１の実
施例においては、平面状表面１２４、１２６は−６０ｄ
Ｂレベルであるように概算される反射を最小にする。第
１のキャピラリ管１１８の近位端部は、光ファイバ１１
０の第１の端部１１２と同時に研磨されかつ磨かれ、そ
のため第１のキャピラリ管１１８の近位端部は平面状表
面１２４と同平面である。同様に、第２のキャピラリ管
１２２の遠位端部は光ファイバ１１０の第２の端部１１
４と同時に研磨されかつ磨かれ、そのため第２のキャピ
ラリ管１２２の遠位端部は平面状表面１２６と同平面で
ある。図１の実施例では、検出器１５０はファイバ１１
０の近位端部１１２付近に位置する。

【００３５】上で述べられた濃度における光ファイバ１
１０は、好ましくは０．５ｍより大きく、かつどの長さ
にでも増加され得る長さを有する。ファイバの長さはド
ーパントの濃度に従って変化し得る。図１において示さ
れている実施例では、光ファイバの長さは３つの異なっ
た値、２．５ｍ、４．８ｍおよび１３．２ｍを有しても
よい。出力信号のスペクトル特性は実質的にはより大き
い長さに対して変えられる。図１におけるファイバ１１
０のファイバの長さは、すべての考慮されるポンプ電力
レベルに対して順方向信号電力を発生するための最適の
長さより長い。上で論じられたように、この余分の長さ
が３つの主な目的に役立つ。第１には、最適を越えた長
さのファイバは往復利得を減少しかつ偶然の共振レーザ
動作を妨げる信号吸収を生じる。第２には、この長さは
９５５ｎｍから９９５ｎｍへの全体のポンプバンドにわ
たるポンプ電力の９９％以上の吸収を保証する。最後
に、逆方向信号が所望される出力であるので、ファイバ
１１０のためのより大きい長さは順方向信号を有利に減
少する。順方向に放出されたいかなる光量子も逆方向に
おける放出のために利用可能ではない。順方向信号は逆
方向信号に対する利得を飽和することだけに役立つ。こ
れらの実験観察はこれ以降論じられる長いファイバの量
子効率の理論的分析によって確認されるであろう。

【００３６】ファイバ源１１０は好ましくは、光ファイ
バ１１０の第１の端部１１２に最も近く装着されている
第１の鏡１２８を含む。図１において示された実施例で
は、鏡１２８は水平に対して４５°の角度で傾けられ
る。鏡１２８は、ポンプ信号の波長に対応する光波長の
第１の範囲において実質的に１００％の反射率を有し、
かつ放出信号の波長に対応する第２の範囲の波長におい
ては実質的に反射率を有さないダイクロイックミラーで
ある。ダイクロイックミラー１２８は検出されるべき出
力信号からポンプ光をフィルタ動作で取除く。このよう
なダイクロイックミラーの構造は技術においてよく知ら
れている。

【００３７】この発明のファイバ源１００はさらに、波
長λ_p における矢印１３２によって表わされたポンプ光
信号を発生する光ポンプ源１３０を含む。図１の実施例
において使用されているポンプ源は、９８０ｎｍ付近の
全体のポンプバンドにわたり同調可能なアルゴンイオン
ポンプされたＴｉ：サファイヤレーザである。Ｔｉ：サ
ファイヤレーザは実験目的のために容易に入手可能であ
る。９８０ｎｍ付近のポンプバンドは励起状態吸収を被
らない。他の入手可能なポンプ源は、たとえば１４９０
ｎｍまたは９８０ｎｍにおいて放出するレーザダイオー
ドである。１４９０ｎｍにおいて放出するレーザダイオ
ードは、ポンプ光波長が出力光波長に近いので有利であ
る。この波長においては、励起状態吸収もまたなく、そ
れは変換の効率を増加する。スチリル１３色素レーザも
また使用され得る。このポンプ源は９８０ｎｍ波長にお
いて放射を放出する。他の波長で放射を放出する他のポ
ンプ源が選択され得る。たとえば、アルゴンイオンレー
ザは５１４ｎｍにおいて放射を放出する。しかしなが
ら、この源は励起状態吸収を被る。ポンプ光源１３０は
ダイクロイックミラー１２８および光ファイバ１１０の
第１の端部部分１１６の縦軸に対して整列され、そのた
めポンプ光信号１３２は第１のダイクロイックミラー１
２８上で反射し、かつ第１の端部１１２を介して光ファ
イバ１１０の第１の端部部分１１６へ導入される。

【００３８】図１において示されているように、ポンプ
光信号１３２は光ファイバ１１０の第１の端部部分１１
６の縦軸に第１レンズ１３４によって合焦されてもよ
い。図１において示されている実施例においては、レン
ズは４７％の測定された結合効率を有する１８％対物鏡
である。図１の実施例におけるレンズの作動距離はファ
イバ１１０の中への反射を−５０ｄＢより下に保つのに
十分長いように選択された。

【００３９】第１の端部部分１１６の中に導入されたポ
ンプ光信号１３２は第２の端部１１４の方へ光ファイバ
１１０において伝搬する。ポンプ光信号１３２が第２の
端部１１４の方へ伝搬するとき、ポンプ光信号１３２の
光エネルギは光ファイバ１１０のエルビウムドーピング
イオンによって吸収され、イオンが状態を変えることを
引き起こす。イオンが緩和したとき（すなわちそれらの
最初の安定状態に戻る）、光量子がポンプ波長より長い
放出波長で放出される。この放出効果は技術において知
られており、かつ低時間コヒーレンスを有する出力信号
を与えるためにランダムな態様で自然放出を引き起こす
ように十分な強度のポンプ光信号でエルビウムドープさ
れたファイバをポンプすることによって超蛍光広帯域源
を生ずるために有利に使用されてきた。たとえば、米国
特許第４，６３７，０２５号を見よ。この特許はここに
援用により引用される。このような超蛍光光源は、放出
された光が光ファイバの第１の端部または第２の端部か
ら直接通って出るように構築される。

【００４０】図１の実施例では、自然放出された光のい
くらかは最初は光ファイバ１１０の第１の端部１１２に
向けられる。この放出された光は逆方向信号と呼ばれ
る。自然に放出された光のいくらかはまたファイバの第
２の端部１１４の方へ向けられる。この放出された光は
順方向信号と呼ばれる。

【００４１】逆方向信号は光ファイバ１１０の第１の端
部１１２を出て、ダイクロイックミラー１２８を通過し
かつ検出器１５０によって収集される。出力ビームにお
いて存在するかもしれないいかなるポンプ光をもフィル
タ動作で取り除くために、検出器１５０はまた、ヒ化ガ
リウムウェハのような光フィルタ１５２を含んでもよ
い。

【００４２】図１の実施例における３つの異なった長さ
のファイバで得られた実験結果は、長いファイバで高い
逆方向量子効率を得ることができることを示す。順方向
に発生した信号は２、３ｍを越えるファイバに対しては
強く減衰された。図１の実施例では、ファイバ１１０は
縦に９７６ｎｍにおいてポンプされた。選択された３つ
の長さのファイバに対して測定された量子効率は５０％
より大きかった。結果は以下のとおりである。

【００４３】 長さ（ｍ） １３．２ ４．８ ２．５ ポンプ電力（ｍＷ） ２７２ ２５１ ２７２ 逆方向出力電力（ｍＷ） １２３ ９３ １０９ 量子効率（％） ＞５０ ＞５０ ＞５０ 逆方向信号に対する量子効率は、逆方向でも順方向でも
量子効率が５０％を越えることができない４準位系と違
って、５０％より大きい値に達することができる。

【００４４】上の結果は、今、３準位超蛍光ファイバ源
の理論的モデルに照らして最良に理解され得る。

【００４５】

【３準位超蛍光ファイバ源のコンピュータモデル】以下
の分析は３準位ＳＦＳのコンピュータモデルに基づいて
おり、かつ上で記述された重要な実験観察を適当に予測
する。これらの結果において使用される様々なパラメー
タ値は特にエルビウムドープされたファイバに対してで
あるが、結論は広範囲の導波路に適用できる。

【００４６】図２はこの分析において使用されるモデル
を概略的に示す。それはポンプ源２００、ドープされた
ファイバ１２０、および信号波長において反射係数Ｒ１
およびＲ２を有する部分反射器２１２および２１４から
なる。共振発振を抑えるために、反射損失を含む往復利
得は「１」より十分下でなければならない。興味をそそ
る高単一通過利得の場合（４０ないし５０ｄＢ）に対し
て、これは一般的にファイバの端部の少なくとも一方で
極端な低帰還レベルを伴う。

【００４７】モデルは理想の３準位レーザシステムを仮
定し、そこでは各吸収されたポンプ光量子が基底状態か
ら励起状態へのイオンの移行の結果をもたらす。励起状
態と基底状態との間の遷移は純粋に放射であると仮定さ
れる。このレーザ遷移はまた同質に広がると仮定され
る。動作状態およびファイバ組成に依存して、３ｄＢ利
得線幅は２５ｎｍまたはそれ以上を越えて延在し得る。
ポンプおよび信号波はファイバパラメータに相関する特
徴的なモードプロファイルを示す。横の空間依存はポン
プおよび信号モードに相関する有効な領域を介して表わ
され得る。さらに、モデルはＳＦＳの両方の端部からの
帰還を許容し、それは実際のシステムにおていＳＦＳを
モデル化するのに不可欠である。

【００４８】ＳＦＳの動作は、レーザ媒質における様々
な電子エネルギ準位の占有粒子数密度とファイバにおい
て伝搬する光信号との間の相互作用によって決定され
る。信号は広スペクトラルにわたり存在し、かつ光信号
周波数ν_s に依存する利得を経験するので、ファイバに
沿った信号発展を記述する一般的な方策が、順方向（Ｓ
⁺ （ν_s 、ｚ））および逆方向（Ｓ^- （（ν_s 、ｚ））
伝搬信号の電力スペクトル密度（ｐｏｗｅｒ ｓｐｅｃ
ｔｒａｌ ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ）（ＰＳＤ）を利用し、

【００４９】

【数２】

【００５０】であり、 ここにおいてＮ_d はドーパント
濃度であり、σ_e （ν_s ）およびσ_a （ν_s ）は信号放
出および吸収断面積であり、Ａ_c およびＡ_s はコア領域
および効果的信号断面積領域であり、かつｈはプランク
定数である。励起状態におけるイオンの少量はパラメー
タａ（ｚ）によって表現され、

【００５１】

【数３】

【００５２】ここではＮ₂ は上部のレーザ準位占有粒子
数密度であり、τは自然寿命であり、Ａ_p は効果的ポン
プ断面積領域であり、かつ全信号ＰＳＤはＳ_s （ν_s ，
ｚ）＝Ｓ⁺ （ν_s ，ｚ）＋Ｓ^- （ν_s ，ｚ）である。ポ
ンプ飽和強度Ｉ_{p s a t} は以下の式によって与えられ
る。

【００５３】

【数４】

【００５４】ここでν_s はポンプ光周波数であり、かつ
σ_p はポンプ基底状態吸収断面積である。ポンプが狭帯
域信号であると仮定され得るので、そのＰＳＤよりポン
プ電力Ｐ_p （ｚ）を考慮する方が好ましく、その発展は
次の式によって支配される。

【００５５】

【数５】

【００５６】ここでσ_p ′はポンプ励起状態吸収断面積
である。σ_p を含む項は基底状態からポンプ準位へのイ
オンの励起を表わし、それはその後、励起状態に衰え
る。第２の項はこれらの励起状態イオンによるポンプ光
量子の吸収を表わす。１９８９年、光学通信、１４巻、
１９号、１０６２頁ないし１０６４頁、Ｐ．Ｒ．モーケ
ル（Ｍｏｒｋｅｌ）およびＲ．Ｉ．ラミング（Ｌａｍｉ
ｎｇ）による論文「励起状態吸収によるエルビウムドー
プされたファイバ増幅器の理論的モデル化（Ｔｈｅｏｒ
ｅｔｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆＥｒｂｉｕｍ−
Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ｗｉ
ｔｈ Ｅｘｃｉｔｅｄ−Ｓｔａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉ
ｏｎ）」はここに引用により援用され、これを見よ。エ
ルビウムでは、これらのイオンはＳＦＳ動作に有用に寄
与しない様々な機構を介して励起状態に素早く衰え戻
る。こうして、この励起状態吸収（ＥＳＡ）の正味効果
は、特に励起状態占有粒子数が相当あるファイバの領域
においてポンプ光量子を浪費することである。たとえ
ば、１９８８年、光学通信、１３巻、１２号、１０８４
頁ないし１０８６頁、Ｒ．Ｉ．ラミング（Ｌａｍｉｎ
ｇ）、Ｓ．Ｂ．プール（Ｐｏｏｌｅ）、およびＥ．Ｊ．
タルボックス（Ｔａｒｂｏｘ）による論文「エルビウム
ドープされたファイバにおけるポンプ励起状態吸収（Ｐ
ｕｍｐ Ｅｘｃｉｔｅｄ−Ｓｔａｔｅ Ａｂｓｏｒｐｔ
ｉｏｎ ｉｎＥｒｂｉｕｍ−ＤｏｐｅｄＦｉｂｅｒ
ｓ）」、および１９８８年、ワシントン（Ｗａｓｈｉｎ
ｇｔｏｎ、Ｄ．Ｃ．）、技術要約光ファイバ委員会会議
（Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒ Ｃｏ
ｍｍｕｎ．Ｃｏｎｆ．）におけるＥ．スニッツァー（Ｓ
ｎｉｔｚｅｒ）、Ｈ．ポー（Ｐｏ）、Ｆ．ハキミ（Ｈａ
ｋｉｍｉ）、Ｒ．タミネリ（Ｔｕｍｍｉｎｅｌｌｉ）お
よびＢ．Ｃ．マッコーラム（ＭｃＣｏｌｌｕｍ）による
論文「１．４９におけるポンプによる１．５５μｍにお
けるエルビウムファイバレーザ増幅器およびＹｂ増感さ
れたＥｒ発振器（Ｅｒｂｉｕｍ ＦｉｂｅｒＬａｓｅｒ
Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｔ １．５５μｍ ｗｉｔｈ
Ｐｕｍｐａｔ １．４９ ａｎｄ Ｙｂ Ｓｅｎｓｉ
ｔｉｚｅｄ Ｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）」を見よ。
両方の論文はここに引用により援用される。

【００５７】方程式（２）ないし（５）は数値積分を介
して同時に解かれ得る。エルビウムドープされたファイ
バ増幅器においては、飽和特性は典型的には単向性狭線
幅信号によって支配され、相当な計算簡易化の結果をも
たらす。ＳＦＳにおける広帯域ＡＳＥ信号をモデル化す
るためには、両方の方向における複数の離散スペクトル
線の展開が同時に４次のルンゲ−クッタ法を使用して計
算される。両方の方向において伝搬する明らかな信号の
存在は解決をかなり複雑にし、なぜなら数値積分は単一
の方向のみにおいて自然に進むからである。これは、入
力逆方向境界条件（帰還の不在においてＳ^- （ν_s ，
Ｌ）＝０）を満たすために、出力逆方向信号レベルＳ^-
（ν_s ，Ｏ）を反復して調整する必要の結果をもたら
す。ｎの別々の線に対して、これは光線形方程式のｎ次
元系に対するゼロ見つけ問題の結果をもたらし、それは
非常に困難でかつ多次元のニュートン−ラフソン方法の
使用を必要とする。たとえば、１９８８年、プレス・シ
ンジケート・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ケンブ
リッジ（Ｐｒｅｓｓ Ｓｙｎｄｉｃａｔｅ ｏｆ ｔｈ
ｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｍｂｒｉｄｇ
ｅ）、Ｃ，ニューヨークにおける数の秘法（Ｎｕｍｅｒ
ｉｃａｌ Ｒｅｃｉｐｅｓ ｉｎＣ， Ｎｅｗ Ｙｏｒ
ｋ）におけるＷ．Ｈ．プレス（Ｐｒｅｓｓ）、Ｂ．Ｐ．
フランネリ（Ｆｌａｎｎｅｒｙ）、Ｓ．Ａ．ツコルスキ
（Ｔｅｕｋｏｌｓｋｙ）およびＷ．Ｔ．ベターリング
（Ｖｅｔｔｅｒｌｉｎｇ）による論文を見よ。なお、こ
れらはここに引用により援用される。

【００５８】

【平均波長近似】スペクトル信号は信号放出および吸収
断面積の波長依存からそれらの形を誘導する。エルビウ
ムドープされたファイバでは、このスペクトル依存は使
用された同時ドーパントによって幾分変化するが、２つ
の重要なスペクトル特徴は一貫してファイバからファイ
バへ認められる。たとえば、１９８９年、光波技術機関
紙、７巻、５号、８３５頁ないし８４５頁、Ｅ．デスル
ビー（Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ）およびＪ．Ｒ．シンプソン
（Ｓｉｍｐｓｏｎ）による論文「エルビウムドープされ
た単一モードファイバにおける自然放出の増幅（Ａｍｐ
ｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ
Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）」を見よ。こ
の論文はここに引用により援用される。高度に反転され
た分布を有するファイバの部分においては、利得は１５
３０ｎｍあたりで最大である。反転が減少すると、利得
ピークは１５５０ｎｍあたりの領域に変わる。

【００５９】高ポンプ電力が注入されるファイバに対し
ては、大抵の信号利得が高度に反転された分布を有し、
ファイバの比較的短い長さにおいて起こる。これは、１
５３０ｎｍ利得ピークあたりの信号吸収および放出断面
積によって支配される利得をもたらす。この状況下で、
スペクトラル特徴から独立して、全信号電力出力を予測
することが所望されるとき、より精密な波長依存のモデ
ルでのよい一致が単一「平均」信号波長を考慮すること
によって得られ得る。こうして問題は、３つの光波の、
それらがファイバに沿って伝搬するときの考慮に帰着し
得、それらは単向性ポンプ波Ｐ_p （ｚ）および２つの逆
伝搬信号波Ｐ_s ⁺ （ｚ）およびＰ_s ^- （ｚ）である。こ
の近似の下では方程式（２）は、

【００６０】

【数６】

【００６１】に帰着し、ここにおいてはσ_e およびσ_a
は平均信号波長ν_s の断面積であり、Ｐ₀ は次の式によ
って与えられる自然放出寄与であり、

【００６２】

【数７】

【００６３】ここにおいてΔν_s は利得線幅であり、か
つ２の係数は自然放出がその中へ起こる２つの直交偏波
状態の説明となる。方程式（３）のａ（ｚ）に対する式
は、

【００６４】

【数８】

【００６５】に帰着し、ここでは信号に相関する付加的
な飽和強度が、

【００６６】

【数９】

【００６７】である。

【００６８】以下に示された結果はこの単純化された平
均波長モデルを使用する。これは、３準位ＳＦＳの動作
へのより多くの率直な物理的直観を許容するためになさ
れた。ファイバパラメータは、１９８９年、光波技術機
関紙、７巻、１２号、２０９５頁ないし２１０４頁、
Ｅ．デスルビール（Ｄｅｓｕｒｖｉｒｅ）、Ｃ．Ｒ．ギ
レス（Ｇｉｌｅｓ）およびＪ．Ｒ．シンプソン（Ｓｉｍ
ｐｓｏｎ）による論文「λ＝１．５３ミクロンにおける
高速、多重チャネルエルビウムドープされたファイバ増
幅器における利得飽和効果（Ｇａｉｎ Ｓａｔｕｒａｔ
ｉｏｎＥｆｆｅｃｔｓ ｉｎ Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ，
Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ
Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ）」において示さ
れているものである。それらは以下の表に載せられる。

【００６９】

【表１】

【００７０】

【ロングファイバのためのＳＦＳ動作の体制】ＳＦＳか
ら高量子効率を得るために、高準位（Ｐ_p はＩ_{p
s a t} Ａ_pよりはるかに大きい）でポンプすることが必
要である。この状態下で、ＳＦＳはその長さに依存した
いくつかの体制の１つで動作する。この発明は長いファ
イバを利用するので、以下の分析は長いファイバを考慮
するだけであろう。

【００７１】再び図２を参照し、ファイバの長さが増加
すると、ファイバ１２０の遠位端部２１４においてポン
プ電力の量が減少する。遠位端部における信号利得がゼ
ロになるファイバの長さは最大の順方向出力電力を生
じ、この長さは順方向信号のための「最適」の長さと呼
ばれ得る。方程式（６）はこれがＰ_p （Ｌ）＝Ｉ_{p s
a t} Ａ_p σ_a ／σ_e のところで起こることを示すために
使用され得る。

【００７２】ファイバの長さが最適条件を越えて増加す
ると、ポンプ信号は迅速に無視されてもよい準位に衰
え、この付加的な長さにおいて負の利得の結果をもたら
す。この付加的な長さは逆方向電力レベルに効果を及ぼ
さないであろうということが仮定されるかもしれず、、
なぜなら励起状態にあるポンプ光量子は本質的にないか
らである。これは、ポンプ信号の不在は励起状態占有粒
子数がゼロであるということを暗示するであろう４準位
系にあてはまるであろう。しかしながら、３準位系で
は、励起状態は、正の利得を生ずるほど十分ではない
が、基底状態信号吸収によって分布し（ｐｏｐｕｌａｔ
ｅ）得る。これらの励起状態のイオンのいくつかは順方
向信号自身によって下方へ刺激される。しかしながら、
他のものは自然に衰え、かつ逆方向伝搬モードによって
捕まえられる。これらの光量子は逆方向において付加的
な「入力」信号として作用し、かつそれらが正の利得領
域に一旦達すると強く増幅される。これは、より短いフ
ァイバの場合にわたり逆方向電力出力における増加の結
果をもたらす。

【００７３】これらの逆方向に進む自然光量子のうち、
負の利得領域においてより深くに起こるものはあまり正
の利得領域に達しないようであり、かつこうして逆方向
出力にあまり寄与しないようである。さらに、順方向信
号電力は最適の長さに近ければより大きい。この効果か
らの最大の寄与は、こうして最適の長さをちょうど越え
た領域からくる。ファイバの長さが最適の長さを越えて
増加すると、加えられた単位長さ毎にこの効果からの寄
与が減少することは予期されるべきであり、かつ逆方向
電力は漸近線に接近するはずである。

【００７４】今、図３を参照して、それは４．０ｍの長
いファイバおよび１００ｍＷの入力ポンプに対する信号
およびポンプの発展特徴を示す。図３においては、ｍＷ
における信号電力およびポンプ電力がメートルにおける
ファイバｚの長さの関数としてプロットされる。ポンプ
曲線は数字３００によって指定され、一方、逆方向およ
び順方向信号電力はそれぞれ数字３１０および３２０に
よって特徴付けられる。図４もまた参照し、それはメー
トルにおけるファイバの長さｚの関数として反転分布パ
ラメータａ（ｚ）および正規化信号利得係数（Ｎ₂ σ_e
−Ｎ₁ σ_a ）／Ｎ_d Ｏ_eを表わす。２つの曲線は数字３
３０（反転分布パラメータ）および３４０（正規化され
た信号利得係数）によって指定される。図４は、約１ｍ
を越えると、利得は負であることを示し、一方、図３は
順方向信号が１ｍを越えると減少することを示す。この
減少は比較的ゆっくりであり、なぜなら吸収された信号
電力のほとんどが誘導放出を介して再び捕まえられるか
らである。漸次的な傾斜はまったく自然放出の故であ
り、それはこの場合では唯一の「損失」の源である。図
４は、占有粒子数密度上の信号の効果が３ｍを越えたフ
ァイバ領域において明らかに明白であり、そこでは励起
状態分布は順方向信号電力がＩ_{s s a t} Ａ_s より下に
降下すると０に接近するということを明らかに示してい
る。

【００７５】

【量子効率】上記のように、ＳＦＳの量子効率（ＱＥ）
は重要なパラメータである。信号およびポンプ電力レベ
ルはファイバの長さにわたり広く変化し得るので、位置
依存の増分量子効率を考慮することは有用であり、以下
の式のように規定される。

【００７６】

【数１０】

【００７７】励起段階吸収がないと仮定すると、各吸収
されたポンプ光量子は基底状態から励起状態への電子の
移行の結果をもたらす。この励起状態から基底状態への
衰退戻りが誘導放出および自然放出の２つの機構を介し
て起こり得る。自然放出は等方性であり、かつこうして
小さい断片（典型的には１０^{- 3}のオーダにおいて）だ
けがファイバの各方向において伝搬する導波信号モード
によって捕まえられ、この衰退機構の量子効率はこうし
て非常に低い。誘導放出はファイバの固有モード（ｅｉ
ｇｅｎｍｏｄｅ）において伝搬する信号光量子によって
誘導される。これらの誘導された光量子は誘導された信
号と空間的にコヒーレンスであるので、誘導放出によっ
て発生したすべての光量子はファイバによって捕まえら
れ、このプロセスに対して「１」ＱＥの結果をもたら
す。

【００７８】低信号レベルでは、励起から基底状態への
遷移は自然放出によって支配され、かつこうして導波信
号モードへの量子効率は非常に低い。対照的に、信号レ
ベルが明らかにＰ_s ＝Ａ_s Ｉ_{s sa t} を越えると、基
底状態への遷移は誘導放出によって支配され、かつ量子
効率が「１」に接近する。

【００７９】各方向における全体の量子効率は特に重要
である。それは以下のように規定され、

【００８０】

【数１１】

【００８１】かつ以下によって増分量子効率に関連す
る。

【００８２】

【数１２】

【００８３】様々なファイバの長さに対する信号発展特
徴の検査は、順方向および逆方向信号は決して同時に大
きくないということを示す。最大の利得領域では、信号
は両方小さく、かつ増分量子効率はこうして小さい。こ
の領域の両側では、信号は大きくなり、高量子効率およ
びより低い利得の両方の結果をもたらす。信号飽和（お
よびこうして減少された利得）および高量子効率の両方
は大信号レベルに対して起こるようである。これは、Ｓ
ＦＳは高量子効率を得るために高度に飽和されたモード
において動作されるべきであることを示すであろう。

【００８４】上記のように、逆方向信号（およびこうし
て逆ＱＥ）はファイバの長さが増加すると漸近線に接近
するはずである。今、図５を参照して、１００ｍＷの入
力ポンプ電力に対するファイバの長さの関数として順方
向および逆方向量子効率（それぞれ曲線４００および４
１０）をグラフで示す。逆方向ＱＥ曲線４１０は漸近的
に０．７に接近する。同時に、順方向電力曲線４００は
予期されていたように光沢のあるファイバのセクション
故に長いファイバに対してゼロに向かう。対照的に、４
準位系の等しい順方向および逆方向出力電力レベルは、
順方向または逆方向の量子効率のどちらとも０．５を越
えることはできないことを暗示する。

【００８５】今、図６および図７を参照し、それらはそ
れぞれ４ｍの長いファイバに対するｍＷにおける入力電
力の関数としてｍＷにおける信号電力および量子効率を
表わす。図６において、逆方向信号曲線および順方向信
号曲線は数字５００および５１０で示され、かつ実質的
に直線状である。逆方向信号５００は非常に低いしきい
値を示し、その上で信号電力はポンプ電力に対して直線
的に増加する。順方向信号５１０は、はるかにより高い
しきい値およびはるかにより低い勾配係数を示し、それ
らは両方とも上で論じられた電力移行機構の結果であ
る。

【００８６】図７においては、３つの量子効率曲線がプ
ロットされ、それらは逆方向ＱＥ曲線６００、順方向Ｑ
Ｅ曲線６１０ならびに逆方向および順方向ＱＥの総和６
２０である。低ポンプ電力レベルにおいて観察される低
逆方向ＱＥが生じるが、その理由は高度に飽和された信
号を達成するのには不十分な利得であるからである。ポ
ンプ電力がＰ_p ＞＞Ａ_p Ｉ_{p s a t} に増加するとき、
逆方向ＱＥは領域６３０によって示されているように迅
速に最初増加し、しかしそれから約９２％の漸近効率へ
のゆっくりした増加の領域（曲線６００の部分６４０）
に遭遇する。逆方向ＱＥは以下の理由から「１」に達し
ない。高ポンプ電力長ファイバ制限においてさえ、順方
向電力はファイバ内で明らかなピーク値に達する。この
順方向信号のいくつかは、その後、上で論じられた機構
を介して逆方向信号に変換されるが、この移行は自然放
出によって支配され、かつこうして本来的に低量子効率
の１つである。逆方向量子効率は、したがって、このピ
ーク順方向信号レベルに関連する量によって「１」に達
しない。

【００８７】３準位超蛍光源の上の一般的なモデルは、
この発明において得られた実験的観察を適当に予測す
る。このモデルは十分に一般的な大信号状態を考慮す
る。この数字で表されたモデルの使用を介して、ファイ
バに沿った様々な波の発展が、様々なパラメータ、特に
ポンプ電力レベルおよびファイバの長さの関数として検
査され得、実験的には、２つのファイバ端部における電
力レベルだけが測定され得る。提示されたモデルはま
た、この発明において測定された量子効率を予測し、か
つ特に、３準位系における基底状態信号吸収の存在が高
ポンプ電力レベルにおいて励振された長いファイバに対
して９０％またはそれ以上の逆方向の量子効率の結果を
もたらすことを示す。これは、どちらの方向においても
量子効率が５０％を越えることができない４準位ＳＦＳ
の場合とかなり異なっている。この発明は３準位系のこ
の予期しない特徴を有利に使用する。

【００８８】

【感知器応用】この発明の源は回転感知器のような光干
渉計感知器のための広帯域光源として特に有用である。
この発明の源と組合せて有利に使用され得る例示の回転
感知器１５００は図８におてい示されている。回転感知
器１５００は、矢印によって示されている光入力信号Ｉ
_{I n} を与える光源（Ｓ）１５１０を含むサニャック干渉
計を含む。光源（Ｓ）は、有利に、たとえば図１の実施
例のように、この発明の源である。入力信号Ｉ_{I n} は、
図１の記述に関連して言及された逆方向信号であっても
よい。それは単一モード複屈折光ファイバのような第１
の光導波路１５１４に結合される。第１の光ファイバ１
５１４は第１の光ファイバセグメント１５２０を含み、
それは回転感知器１５００への入力として役立つ。第１
の光ファイバセグメント１５２０は第１の光方向性結合
器（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｏｕ
ｐｌｅｒ）（ＤＣ）１５２４への伝搬路を与え、それ
は、回転感知器１５００の好ましい実施例においては、
２つのファイバを並置されることによって構築されてい
る。このような結合器の詳細は米国特許第４，４９３，
５２８号、４，５３６，０５８号、４，５６４，２６２
号、および４，６０１，５４１号において開示されてい
る。これらの特許はここに引用により援用される。当業
者は統合された光結合器もまた利用されてもよいことを
理解するであろう。

【００８９】参照された特許において述べられているよ
うに、第１の光ファイバセグメント１５２０は第１の方
向性結合器１５２４の１つのポートに結合される。第１
の方向性結合器１５２４は第２の光導波路１５２８を第
１の光導波路１５１４と並置することによって形成され
る。第２の光導波路１５２８もまた複屈折単一モード光
ファイバであってもよい。第２の光ファイバ１５２８は
第１の方向性結合器１５２４の隣接するポートに結合さ
れる第２の光ファイバセグメント１５３２を含む。

【００９０】第１の方向性結合器１５２４は２つの付加
的ポートを有し、その一方は第３の光ファイバセグメン
ト１５４０に接続され、かつ他方は第４の光ファイバセ
グメント１５４４に接続される。

【００９１】回転感知器１５００の好ましい実施例にお
いては、第１の方向性結合器１５２４は、光源１５１０
から第１の方向性結合器１５２４の方へ第１の光ファイ
バセグメント１５２０内を伝搬する光エネルギの約５０
％が直接第３の光ファイバセグメント１５４０に伝送さ
れ、かつ光エネルギの約５０％が第４の光ファイバセグ
メント１５４４に結合されるように構築されている。第
３の光ファイバセグメント１５４０内を第１の指向性結
合器１５２４の方へ伝搬する光エネルギは、第１の光フ
ァイバセグメント１５２０と第２の光ファイバセグメン
ト１５２８との間で実質的に等しく分割されるという点
において、第１の方向性結合器１５２４は両指向性であ
るということが理解されるべきである。

【００９２】第４の光ファイバセグメント１５４４は第
１の光吸収ターミネータ（ｔｅｒｍｉｎａｔｏｒ）
（Ｔ）１５５０によって終端とされる。第１の光吸収タ
ーミネータ１５５０は第４の光ファイバセグメント１５
４４からそれに入射する実質的にすべての光エネルギを
吸収し、そのため光は実質的に第１の方向性結合器１５
２４の方へ反射され戻ってこない。

【００９３】第３の光ファイバセグメント１５４０は第
１の方向性結合器１５２４から偏光器（ｐｏｌａｒｉｚ
ｅｒ）（Ｐ）１５６０への伝搬路を与える。偏光器が、
ある型の位相誤りを減少するという点において有利であ
るということを当業者は認識するであろう。もし偏光器
が使用されないならば、米国特許第４，５２９，３１２
号および米国特許第４，６３４，２８２号において記述
されているように、位相誤りの減少は偏光されない光の
使用を介して達成されてもよい。これらの特許はここに
引用により援用される。偏光器は多数の異なった実施例
に従って構築され得、かつ米国特許第４，３８６，８２
２号に従って有利に構築される。この特許はここに引用
により援用される。偏光器１５６０は第５の光ファイバ
セグメント１５６４にさらに接続され、そのため第３の
光ファイバセグメント１５４０から偏光器１５６０に入
射する光は、偏光器１５６０から第５の光ファイバセグ
メント１５６４上への出力である。当業者に知られてい
るように、第１の光ファイバ１５１４のような単一モー
ド光ファイバは、典型的には第１および第２の直交偏光
モードにおいて光を伝搬する。偏光器１５６０は２つの
偏光モードのうちの一方において（たとえば第２の偏光
モード）、光をブロックするよう動作し、そのため偏光
器１５６０から離れて第５の光ファイバセグメント１５
６４内を伝搬する光は実質的に第１の偏光モードだけに
おける光（すなわち偏光された光）を含む。

【００９４】偏光器１５６０からの偏光された光は第５
の光ファイバセグメント１５６４を介して第２の指向性
結合器（ＤＣ）１５７０のポートへ伝搬される。第２の
方向性結合器１５７０は第１の光ファイバ１５１４の第
６の光ファイバセグメント１５７４に光を結合する。第
６の光ファイバセグメント１５７４はループ１５７８に
形成され、ループがそのまわりを回転すべき軸に対して
包括的に垂直な面にある。第６の光ファイバセグメント
１５７４は第２の方向性結合器１５７０の隣接するポー
トに戻り、こうしてループ１５７８を閉じる。第１の光
ファイバ１５１４は第２の方向性結合器１５７０から延
在し、第７の光ファイバセグメント１５９０を形成す
る。第７の光ファイバセグメント１５９０は第２の光吸
収ターミネータ（Ｔ）によって終端され、光検波器（ｄ
ｅｔｅｃｔｏｒ）（Ｄ）１６００は第２の光ファイバセ
グメント１５２８における光エネルギの強度を検出し、
かつこうしてループ１５７８からの結合された光エネル
ギの強度を検出する。検出器１６００は線１６０４上に
電気出力信号を与え、それは検出された強度に応答す
る。技術においてよく知られているように、ループ１５
７８からの結合された光エネルギの強度は２つの逆伝搬
光信号の相対位相に依存し、それは順にループ１５７８
の回転速度に部分的に依存する。

【００９５】検出された光の強度を、回転の大きさおよ
び角方向を示す出力信号に変換するための様々な装置お
よび技術は、前述の米国特許第４，４１０，２７５号、
米国特許第４，４５６，３７７号、米国特許第４，４８
７，３３０号、米国特許第４，６３４，２８２号、およ
び米国特許第４，６３７，７２２号において開示されて
いる。これらの特許はここに引用により援用される。た
とえば、励振および検出電子回路ブロック１６１０が示
されている。励振および検出電子回路ブロック１６１０
は位相変調器（ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）（Ｍ）１６１８に
結合されている線１６１４上に電気出力信号を与える。
位相変調器１６１８は、ループ１５７８の中央からはず
れた位置において第６の光ファイバセグメント１５７４
に結合される。励振および検出電子回路ブロック１６１
０は、２つの逆伝搬光信号Ｉ_{C W} およびＩ_{C C W} の位相
を変調するよう選択された特定の周波数で位相変調器１
６１８を励振する。励振および検出電子回路ブロック１
６１０は、ループ１５７８の回転速度を示す線１６３０
上に電気出力信号を与えるために線１６０４上の光出力
信号の電気表示を同期的に復調するために特定の周波数
をさらに使用する。回転感知器の動作のさらなる詳細
は、前述の米国特許第４，４１０，２７５号、米国特許
第４，４５６，３７７号、米国特許第４，４８７，３３
０号、米国特許第４，６３４，２８２号、および米国特
許第４，６３７，７２２号において見つけられ得る。こ
れらの特許はここに引用により援用される。図８におい
て描かれている回転感知器は閉じられたループ形状であ
るが、米国特許第４，７７９，９７５号、または、その
両方ともこの出願の譲受人に譲渡されている、１９８９
年８月３１日に出願された連続出願番号第４０１，２２
５号、または１９９０年８月９日に出願された連続出願
番号第５６５，２５５号において記述されているような
他の形状が使用されてもよいことが理解されるであろ
う。この特許およびこれらの特許出願はここに援用によ
り引用される。単一モードファイバが図８の回転感知器
１５００に関連して記述されてきたが、多重モード導波
路もまた使用され得ることは当業者には明らかであろ
う。

【００９６】

【帰還効果】システムにおける源として使用されたと
き、ＳＦＳへの帰還の効果の考慮は重要になる。これは
特に干渉計感知器であり、サニャックループが鏡のよう
に作用し得る。図８を参照して、サニャックループはル
ープに結合された光の１０％またはそれ以上を源１５１
０に反射し戻すかもしれない。

【００９７】それらの高単一通過利得故に、ＳＦＳは帰
還効果に対して感応性がある。これらのファイバにおけ
る実質的な信号飽和効果は帰還感度を和らげる傾向にあ
るが、それらは、いくつかの応用において越えられる−
３０ｄＢの範囲における帰還に対してはなお感応性があ
る。

【００９８】上で示されたコンピュータモデルを使用し
て、逆方向信号帰還が順方向および逆方向信号の両方に
どのように影響を及ぼすかを計算することができる。自
然放出の効果は本質的には各方向にファイバに沿って信
号Ｐ₀ を連続的に注入することである。ファイバに帰還
された信号がＰ₀ に接近するとき、信号電力レベルは変
化し得る。

【００９９】今、図９を参照して、それはポンプ端部帰
還Ｒ１の関数としてｍＷにおける順方向および逆方向信
号電力のプロットである。帰還Ｒ１は図２のファイバ２
１０の端部部分２１２の反射係数であり、かつ導波ファ
イバモードに戻る外部の電力反射として定義される。帰
還Ｒ１は曲線１６００および１６１０によって示される
順方向および逆方向出力信号レベルに影響を及ぼす。こ
の単純化されたモデルにおいては、図２におけるファイ
バ２１０の他方の端部の帰還係数Ｒ２が０であると想定
される。Ｒ₁ ＝１．７×１０^{- 5} ＝−４７ｄＢに対して
はＲ₁ Ｐ^- _s （０）＝Ｐ₀ であることが見つけられ得
る。この帰還レベルにおいては、曲線１６００に対する
数字１６２０によって（順方向信号）および曲線１６１
０に対して数字１６３０によって（逆方向信号）示され
ているように、出力電力レベルにおける小さい変化は確
かにある。しかしながら、高度に飽和された利得は入力
信号変動の出力信号レベルにおける効果を和らげ、かつ
したがって、さらに１０ｄＢの帰還が電力レベルにおけ
る大きな変化を生ずるのに必要とされる。帰還に対する
この感度は、ＳＦＳを使用するファイバジャイロスコー
プ源がＳＦＳの中への帰還を減少するための光アイソレ
ータを有利に含んでもよいことを提案する。帰還は信号
スペクトラルにおいて顕著な変化もまた生じ得る。光の
大きな断片を最適に近いファイバの端部のどちらかに意
図的に帰還することによって、ＱＥが１００％に近い非
常に高いＱＥ源を得られることができ得る。一方からの
１００％の帰還の範囲内では、源の形状は二重通過ＳＦ
Ｓのそれと同じである。不運にも、このような源は外部
の反射故に共振発振をより受けやすく、かつ実際の場合
では厳重な光アイソレーションを必要とするかもしれな
い。

【０１００】光ファイバ光源の様々な実施例が上で記述
されてきた。この発明はこれらの特定の実施例を参照し
て記述されてきたが、記述は発明の例示であって、かつ
制限するよう意図されていない。特に、この発明のファ
イバ源は他のどの希土類の適当な材料でもドープされ得
る。この発明の実施例はまた増幅器として、または狭帯
域光源として使用され得る。様々な他の変更および応用
は、前掲の特許請求の範囲において規定されている発明
の真の精神および範囲から逸脱することなく当業者に浮
かぶかもしれない。

【図面の簡単な説明】

【図１】エルビウムドープされたファイバを含むこの発
明の光源の例示の実施例を示す。

【図２】３準位系のモデル化において使用された超蛍光
ファイバ源の図である。

【図３】ファイバの長さの関数として４．０ｍ長さのフ
ァイバおよび１００ｍＷの入力ポンプに対する信号およ
びポンプ発展特徴を表わす。

【図４】ファイバの長さの関数として反転分布パラメー
タａ（ｚ）および正規化信号利得係数（Ｎ₂ σ_e −Ｎ₁
σ_a ）／Ｎ_d σ_e のプロットである。

【図５】１００ｍＷの入力ポンプ電力に対するファイバ
の長さの関数としての順方向お逆方向量子効率のグラフ
である。

【図６】４ｍ長さのファイバに対する入力ポンプ電力の
関数としての信号電力のグラフ表示である。

【図７】４ｍ長さのファイバに対する入力ポンプ電力の
関数としての量子効率のグラフ表示である。

【図８】この発明の光源を使用した例示の回転感知器を
表わす。

【図９】ポンプ端部帰還の関数としての順方向および逆
方向信号電力のプロットである。

【符号の説明】

１００ ファイバ源 １１０ 光導波路 １２８ ダイクロイックミラー １３０ ポンプ光源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・エフ・カルマン アメリカ合衆国、94086 カリフォルニ ア州、サニィベイル、パイノン・コー ト、785 (72)発明者 ポール・エフ・ウィソキ アメリカ合衆国、94305 カリフォルニ ア州、スタンフォード、エスコンディ ド・ビレッジ、123─エフ (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 (56)参考文献 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷ ＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，ＶＯ Ｌ．７，ＮＯ．５，（1989）ＰＰ．835 −845

Claims (19)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の放出を能動媒質において誘導するた
   めにポンプ波長におけるポンプ信号でのポンピングに応
   答する前記能動媒質からなる光導波路を含む光源であっ
   て、少なくとも一部の放出された光は逆方向伝搬信号を
   与えるためにポンプ信号のそれと反対の方向に伝搬し、
   前記導波路の長さおよび前記ポンプ信号のパワーは前記
   逆方向信号の量子効率が５０％より大きくなるように選
   択される、光源。
2. 【請求項２】 前記ポンプ源はレーザダイオードであ
   る、請求項１に記載の光源。
3. 【請求項３】 前記光導波路はレーザ動作材料でドープ
   された単一モードファイバを含む、請求項１に記載の光
   源。
4. 【請求項４】 前記能動媒質は３準位系を含む、請求項
   １に記載の光源。
5. 【請求項５】 前記能動媒質はエルビウムを含む、請求
   項１に記載の光源。
6. 【請求項６】 前記導波路は、入力端部および出力端部
   を有しかつ前記入力端部の最も近くに位置決めされた反
   射器を有する光ファイバを含む、請求項１に記載の光
   源。
7. 【請求項７】 前記反射器は前記放出された放射に対し
   て実質的に反射性があり、かつ前記ポンプ光に対して実
   質的に伝送性がある、請求項６に記載の光源。
8. 【請求項８】 前記反射器は前記放出された放射に対し
   て実質的に伝送性があり、かつ前記ポンプ光に対して実
   質的に反射性がある、請求項６に記載の光源。
9. 【請求項９】 前記反射器はダイクロイックミラーを含
   む、請求項６に記載の光源。
10. 【請求項１０】 ポンピングに応じて光を放出する能動
    媒質からなる光導波路の端部に光を導入するように結合
    されたポンプ源を含む光源であって、前記ポンプ光は、
    前記能動媒質の一部を飽和するのに十分なパワーを有
    し、前記導波路は、前記ポンプ光の方向の順伝搬方向、
    および前記ポンプ光のそれと反対の方向の逆伝搬方向を
    有し、前記光源は、前記逆方向伝搬光が前記光源から有
    効な出力を与えるように前記能動媒質の前記一部が飽和
    されたときに、前記順伝搬方向におけるより前記逆伝搬
    方向において実質的により多くの放出を前記導波路が生
    じることを特徴とする、光源。
11. 【請求項１１】 前記ポンピング光は前記能動媒質にお
    いて超蛍光の光の放出を誘導する、請求項１０に記載の
    光源。
12. 【請求項１２】 前記光信号は第２の波長で放出され
    る、請求項１０に記載の光源。
13. 【請求項１３】 前記順方向信号が実質的にゼロであ
    る、請求項１０に記載の光源。
14. 【請求項１４】 干渉計と、 ポンプパワーでポンプ光を放出するポンプ光源と、 前記ポンプ光を受取るように結合された端部を有する光
    導波路を含む光源とを備え、前記光導波路が、光信号の
    放出を能動媒質において第２の波長で誘導するためにポ
    ンプ波長でのポンピングに応答する前記能動媒質からな
    り、前記放出された光信号はそれぞれ反対の方向に伝搬
    する順方向信号および逆方向信号を含み、前記導波路の
    長さおよび前記ポンプパワーは、前記逆方向信号の量子
    効率が５０％よりも大きいものであり、かつ前記光源が
    前記逆方向信号を前記干渉計に結合することを特徴とす
    る、装置。
15. 【請求項１５】 前記干渉計はサニャック干渉計を含
    む、請求項１４に記載の装置。
16. 【請求項１６】 前記光導波路はエルビウムドープされ
    た単一モード光ファイバを含む、請求項１４に記載の装
    置。
17. 【請求項１７】 順方向におけるポンピングに応答して
    順方向信号および逆方向信号を放出する能動媒質からな
    る光導波路を含む光源を有する装置を製造する方法であ
    って、前記方法は、 ポンプ波長を有するポンプ源を、前記能動媒質の少なく
    とも一部分を飽和させる光学パワーで前記能動媒質の端
    部に光学的に結合するステップと、 前記逆方向信号が前記光源からの有効な出力を供給する
    ように前記逆方向信号の量子効率が５０％よりも大きい
    ように前記導波路の長さを選択するステップとを含む、
    方法。
18. 【請求項１８】 前記能動媒質の能動材料を希土類群の
    中から選択するステップをさらに含む、請求項１７に記
    載の方法。
19. 【請求項１９】 前記順方向信号が実質的にゼロになる
    ような前記長さを選択するステップをさらに含む、請求
    項１７に記載の方法。