JP4031187B2 - 超蛍光光源 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバ増幅型自然放出(amplified spontaneous emission;ASE)光源に関し、より特定的には、ポンプ偏光およびファイバ複屈折における変化に対して安定な平均波長を有する超蛍光ファイバ光源に関する。
【0002】
【従来の技術】
ファイバASE光源は、当該技術分野においてよく知られている。ASE光源は、多くの用途のために広帯域の(たとえば、10〜30ナノメータ程度の)空間的にコヒーレントな光を提供するのに、有利に使用されている。たとえば、ASE光源は、ファイバ・オプティック・ジャイロスコープへの入力としてのレーザ光を提供するのに使用されている。超蛍光ファイバ光源の例の説明としては、1989年5月、IEEE発行の、"Journal of Lightwave Technology," Vol. 7, No. 5に記載された、Emmanuel DesurvireおよびJ.R. Simpsonによる「エルビウムが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("Amplification of Spontaneous Emission in Erbium-Doped Single-Mode Fibers")」と題された記事を参照されたい。
【0003】
ASE光源は典型的に、ある長さの単一モードファイバを含み、その断面の一部(典型的にはコア)にイオン三価の希土類の元素がドープされている。たとえば、ネオジミウム(Nd3+)およびエルビウム(Er3+)などの希土類が、単一モードファイバがレーザ媒体として作用するように、そのコアにドープするのに使用され得る。
【0004】
ファイバは、その一方端でポンプ入力信号を受取る。このポンプ信号は典型的に、波長λpを中心とする比較的狭いスペクトルを有するレーザ信号である。ファイバコア内のイオンが波長λpの入力レーザ放射を吸収すると、それらイオンの基底状態にある電子が、イオンのより高いエネルギ状態へと励起される。ファイバの端部に十分なポンプパワーが入力されると、反転分布が生じ(すなわち、イオン内の電子がより低いレーザ状態よりも励起状態により多く存在するようになり)、ファイバの長さに沿って大量の蛍光が生成される。よく知られているように、蛍光(すなわち、異なる波長λsのフォトンの放出)は、電子が励起状態からより低いレーザ状態に自発的に戻ることによって、その励起状態から基底状態への移行中に、波長λsのフォトンが発せられることによって生じる。これらのフォトンは、ファイバを進むにつれてゲインによって増幅され、これが、増幅型自然放出(ASE)となる。ファイバから波長λsで発せられる光は、非常に方向性のある光であって、これは従来のレーザ光と同様である。しかし、この放出が、従来のレーザの放出(すなわち、光共振器を組込むもの)と区別される1つの大きな特徴は、超蛍光ファイバ光源から発せられる光のスペクトルの内容が一般に、(典型的には数十ナノメータと)非常に幅が広いことである。この原理は、レーザ物理学においてよく知られており、何年にもわたって、エルビウム、ネオジミウムまたは他の希土類でドープされたシリカベースのファイバにおいて実験的にかつ理論的に研究されてきている。
【0005】
ASEファイバ光源から発せられる光には多くの用途がある。たとえば、ある用途においては、ASE光源の出力はファイバオプティックジャイロスコープに供給される。当該技術分野における熟練者にはよく理解される理由により、ファイバオプティックジャイロスコープは、平均波長が非常に安定な広帯域の光源で動作されねばならない。存在することがわかっている数種の広帯域の光源のうち、超蛍光ファイバ光源、特にエルビウムがドープされたファイバによる超蛍光ファイバ光源が、これまでのところ、慣性航法級のファイバオプティックジャイロスコープのための厳しい要件に見合う唯一の光源である。エルビウムがドープされたファイバ光源によって生成される光が広帯域幅であること、ならびに、エルビウムがドープされたファイバ光源の低いポンプパワー要件および優れた平均波長の安定性が、このような光源がファイバオプティックジャイロスコープに利用される主な要因である。
【0006】
エルビウムがドープされたファイバにおいて、超蛍光ファイバ光源の放出は、両方向性である。すなわち、エルビウムイオン内で電子が基底状態に戻ることによって発せられる光は典型的に、そのファイバの両端から発せられる。Kalman他への米国特許番号第5,185,749号に記載されているように、十分な長さのエルビウムがドープされたファイバにおいては、逆方向(すなわち、ポンプ信号が伝搬するのとは反対の方向)に伝搬される光は、非常に効率が高い。したがって、エルビウムがドープされたASE光源から発せられる光がファイバのポンプ入力端部から発せられる(すなわち、逆伝搬方向に発せられる)ように、エルビウムがドープされた光源を実現することが有利である。
【0007】
ASE光源は一般に、2つの構成のいずれかで実現される。第1の構成は1回通過(single-pass)(以下、「シングルパス」)ASE光源と称され、この第1の構成においては、超蛍光光源出力パワーは2方向に発せられ、そのうち一方は使用されない。第2の構成は2回通過(double-pass)(以下、「ダブルパス」)ASE光源と称され、この第2の構成においては、反射器がドープされたファイバの一方端に位置付けられ、これが超蛍光光源信号を反射することにより、超蛍光信号はファイバを通じて2回送られるようになる。ファイバは、超蛍光信号波長でゲインを得るため、ASE信号はさらに増幅される。ダブルパス構成の1つの利点は、それがより強い信号を生成することである。ダブルパスASE光源の構成はまた、1つのポートにおいてのみ(すなわち、一方方向に)出力を生成する。この構成の欠点は、ジャイロスコープからのフィードバック光信号を、レイジングを防ぐために(たとえば、光源とジャイロスコープとの間に位置付けられる光アイソレータを使用して)非常に低く保たねばならないことである。
【0008】
ファイバオプティックジャイロスコープの応用例において、光源の性能の1つの重要な尺度は、その光源の平均波長の安定性である(たとえば、Kim他への米国特許番号第5,355,216号を参照されたい)。当該技術分野においてよく知られているように、光源の平均波長の安定性は、直接、ジャイロスコープのスケールファクタの安定性に結びつく。スケールファクタを正確に知ることは、ジャイロスコープの回転速度を正確に測定するために重要である。現時点において、ポンプ波長、ポンプパワー、温度およびジャイロスコープからの光フィードバック等のシステムパラメータが合理的に安定化されると仮定して、ポンプパワー、ポンプ波長、温度および光フィードバックレベルに対する平均波長の安定性が各々、数ppm(parts per million)にまで減じられた、超蛍光ファイバ光源が存在する。しかし、特にハイグレードのファイバオプティックジャイロスコープ等のいくつかの応用例においては、全体として1ppmよりも良好な安定性が平均波長に望まれる。
【0009】
超蛍光ファイバ光源(SFS)の平均波長の非安定性に対して、偏光効果が重要な役割を果たしていることが最近わかってきた。SFS出力の平均波長の偏光依存性は、J.L. Wagener他による数値モデル化によって予測されている。(J.L. Wagenerによる「エルビウムがドープされたファイバ光源および光センサのための増幅器("Erbium doped fiber sources and amplifiers for optical sensors")」、Ph.D. thesis, Applied Physics Department, Stanford University (March 1996);J.L. Wagener、M.J.F. DigonnetおよびH.J. Shawによる「ファイバオプティックジャイロスコープのための高安定性ファイバ増幅器光源("A High-Stability Fiber Amplifier Source for the Fiber Optic Gyroscope")」、J. Lightwave Technol. Vol. 15, 1689-1694 (September 1997);および、J.L. Wagener、D.G. Falquier、M.J.F. DigonnetおよびH.J. Shawによる「エルビウムがドープされたファイバにおける偏光効果をモデル化するためのミュラー行列形式論("A Mueller Matrix Formalism for Modeling Polarization Effects in Erbium-Doped Fiber")」、J. Lightwave Technol. Vol. 16, 200-206 (February 1998)を参照。これらはここに引用により援用される。)これらの研究は、SFSの平均波長がポンプ偏光にわずかに依存することを示している。この理由は、物理的な用語で以下のように説明することが可能である。すなわち、ファイバホストにおけるエルビウム(または、Ndもしくは別の希土類等の別のドーパント)のイオンは、偏光に対して吸収および放出の固有の異方性を示す。たとえば、いくつかのエルビウムイオンは、他のものよりも所与の偏光をより強く吸収し、したがってそれらのエルビウムイオンは、それらの放出に関連して好ましい偏光を有する。この効果は、エルビウムがドープされたファイバが通常の態様で、すなわち、レーザダイオード等の非常に偏光された光源によってポンピングされた場合に、偏光依存型のゲインを生む。これが今度は、出力ASE信号の、異なる平均波長を有する複数の直交する偏光成分を生むことにつながり得る。
【0010】
【発明の概要】
本発明の一局面は、光ポンプおよびレーザ媒体を含む、超蛍光光源である。該レーザ媒体はドーパントを中に有し、増幅型自然放出(ASE)を発生する。そのASEのスペクトルは、ASEの異なる偏光成分毎に異なる平均波長を有する。該媒体は、光ポンプからのポンプ光によってポンピングされる。光カプラは、該ポンプを該媒体に光学的に結合する。ファラデー回転ミラーは、該光源の出力の偏光依存性を減じる。該ミラーは媒体から発せられたASEを、媒体を通じて反射させる。出力ポートは、光源からのASEを結合する。一実施例においては、該光源はさらに、媒体とカプラとの間に減偏光子を含む。一実施例においては、ミラーは光カプラに結合される。一実施例においては、ミラーは媒体に結合される。一実施例においては、光アイソレータは出力ポートに位置付けられて光フィードバックを減じる。一実施例においては、ファイバオプティックジャイロスコープは、超蛍光光源からの出力を受取る。一実施例においては、媒体は偏光を維持し、かつ、ポンプ光は、ポンプ光の等しいパワーが媒体の複屈折軸に沿って発せられるように、媒体に向けられる。一実施例においては、ポンプ光は直線偏光され、媒体の複屈折軸に対して45度の角度で媒体に導入される。一実施例においては、ドーパントはエルビウムである。一実施例においては、媒体における偏光依存性ゲインを減じることで、直交する偏光成分のそれぞれのスペクトル出力間の平均波長差が減じられる。一実施例においては、偏光依存性ゲインを減じることで、媒体の複屈折に対するどの偏光成分の平均波長依存性も減じられる。一実施例においては、ミラーは、吸収されなかったポンプ光を媒体を通じて反射させて、出力の偏光依存性をさらに減じる。一実施例においては、媒体は光ファイバを含む。一実施例においては、媒体は光導波管を含む。
【0011】
【好ましい実施例の詳細な説明】
本発明を、光ファイバの形状の光導波管に関連して以下に説明する。ただし、他の種類の光導波管も、ここに説明する実施例の多くにおいて、光ファイバに有利に置き換えることができることを理解されたい。ここで使用する「固体("solid state")」という語は、光ファイバ等の光導波管を含む。ここに開示する実施例から得られる光出力は、ファイバオプティックジャイロスコープ内に有利に入力することが可能である。
【0012】
ここに開示する実施例においては、ファラデー回転ミラー(FRM)を利用するが、これは、(1)ドープされたファイバへの入力におけるポンプ源の偏光および(2)ファイバの複屈折に対する、SFS出力の波長依存性を減じるためである。具体的には、標準的な反射器(すなわちFRM以外のもの)ではなくファラデー回転ミラーを使用する、ダブルパスのSFSの実施例が開示されており、これによれば、10ppmよりも優れた安定性を示す出力平均波長が得られる。ファイバの端部に位置付けられたFRMは、反射された光の偏光の状態(SOP)が、ファイバのどの地点においても、ファイバの複屈折や入力光のSOPにかかわらず、入射光のSOPに直交するようになるように、光を反射する。ここに開示した実施例に関連するFRMの基本特性は、もしFRMの表面に入射する光がある偏光状態SOPincを有している場合には、(同じ表面で)FRMによって反射される光が、SOPincに厳密に直交する偏光状態SOPrefを有するというものである。(たとえば、S. Yamashita、K.HotateおよびM. Itoによる「サーキュレータおよびファラデー回転ミラーを用いる、反射ファイバ増幅器の偏光特性("Polarization properties of a reflective fiber amplifier employing a circulator and a Faraday rotator mirror")」、J. Lightwave Techonol. Vol. 14, pp. 385-390, March 1996を参照。)たとえば、SOPincが垂直偏光されている場合、SOPrefは水平偏光し、SOPincが左回りの偏光状態である場合には、SOPrefは右回りの偏光状態となる、等である。このような効果をもたらすために、FRMは典型的に、ビスマス鉄ガーネット(bismuth iron garnet)等の磁気光学結晶と称される不可逆素子と、標準的な反射器とを続けて利用する。これは図1に示すとおりである。磁気光学結晶1500は、結晶1500の近傍に位置付けられた永久磁石1504によってもたらされる磁界内に位置付けられる。よく理解されている磁気光学効果によって、光が磁界内に置かれた磁気光学結晶を介して一方方向に進むときに、その光のSOPはある角度+ψだけ回転される。この角度+ψは、結晶1500の長さ(ならびに、光の波長および磁界の大きさ)に依存する。これに対し、逆方向に進む光のSOPは、同じ角度+ψだけ回転される。あるFRMにおいて、この角度ψは45度に選択される。たとえば、入射光のSOPが直線かつ垂直である場合、(図1において左から右に)結晶1500を通過した後には、それは+45度で線形となる。ミラー1508は、このSOPを変化させることなく光を反射する。反射光は、今や+45度偏光されているが、この反射光が(今度は右から左へと)2度目に結晶1500を通過した場合、結晶1500はその偏光を再び+45度回転させる。したがって、結晶1500の(左面における)出力においては、光は水平に偏光されている、すなわち、それは、入射光に対して90度偏光されていることになる。この分析はどの偏光にも当てはまる。すなわち、任意の入射時のどのような偏光状態に対しても、反射された偏光状態はそれに対して直交する。
【0013】
ファラデー回転ミラーは、たとえば、カリフォルニア州サンタクララ(Santa Clara, California)を拠点とする光ファイバ製造会社、ETEK等の、複数の販売業者から市販されている。本発明においては、FRMは有利に、単一モードのファイバに光学的に結合される。FRMをファイバに結合する光素子は好ましくは、光レンズの何らかの形状を有する。ここに開示する実施例において使用可能なFRMの市販のモデルは、ファイバがピグテール様のFRMを含み、その中には、光レンズおよびファイバが含まれかつ光学的に整合されている。これにより、光は、ユーザによって直接、ファイバ内に発することが可能となり、その光は同じファイバによって戻される。戻された光はその後、ユーザのファイバ回路の残りの部分に接続(splice)され得る。
【0014】
FRMをSFS構成に組込んだ2つの実施例を図2および図3に示す。図2は、順方向のダブルパス構成を示す。これは、光源1526(たとえばレーザダイオード)によってポンピングされる、ある長さのエルビウムがドープされたファイバ(EDF)1520を含み、光源1526とファイバ1520とは波長分割多重(WDM)カプラ1532で互いに結合されている。FRM1538はWDMカプラ1532に結合され、FRMとEDF1520とが、図2に示すように、カプラ1532の両側に位置付けられる。光アイソレータ1542は、EDF1520の出力端部に位置付けられて、その端部からSFS内への光フィードバックを減じる。従来の順方向ダブルパスSFSにおいては、FRMではなく標準的な反射器が使用される(たとえば、P.F. Wysocki、M.J.F. Digonnet、B.Y. KimおよびH.J. Shawによる「干渉センサ応用のための、エルビウムがドープされた超蛍光ファイバ光源の特性("Characteristics of Erbium-Doped Superfluorescent Fiber Sources for Interferometric Sensor Applications")」、IEEE J. Lightwave Technol. 12, pp. 550-567, March 1994を参照)。ASE出力は、ファイバオプティックジャイロスコープ(FOG)1546に有利に入力することが可能である。
【0015】
図2に示すようなダブルパスSFSにおいては、SFSから結合される光は、反転したエルビウムイオンの自然放出および誘導放出による、2つの異なる超蛍光寄与(contributions)を含む。第1の寄与は、順方向の超蛍光、すなわち、ポンプ光の進行方向、図2においては左から右方向に生成された蛍光信号である。この第1の寄与は、EDF1520を介して1回だけ進む。第2の寄与は、逆方向の超蛍光、すなわち、ポンプ光の伝搬とは反対方向、図2においては右から左方向に生成された信号であって、これは、反射器1538によって順方向に反射されかつEDF1520によって増幅されてから、SFSから出ていく。この第2の寄与は、EDF1520を2回通って増幅されたことになり、したがって典型的に、順方向の成分よりも遥かに大きなパワーを保持する。このため、図2に示されるダブルパスSFSの出力は、そのほぼすべてが、ファイバ1520を2回通った光で構成されることになる。
【0016】
図3には、逆方向のダブルパスSFS構成を示す。ここでは、FRM1538と光アイソレータ1542の位置が、図2におけるそれらの位置とは互いに反対にされている。この場合もやはり、ASEの出力は、ファイバオプティックジャイロスコープ(FOG)1546に有利に入力することが可能である。図3に示す実施例においては、FRM1538が正しく設計されていれば、FRM1538に向かって進む間にEDF1520によって吸収されなかったポンプ光は、FRM1538によって反射されてEDF1520を介して戻される。そこで、ポンプ光がさらに吸収されて、反射器1538がない場合に得られたであろうものよりもより高い反転分布およびゲインが得られる。図3の実施例においては、吸収されなかったポンプ光が再利用(recycle)されるため、この構成では、同じポンプパワーが使用されると仮定して、図2の実施例におけるよりもより高いSFS出力を得ることが可能となる。いずれの実施例においても、ASE信号は再利用されるので、シングルパスSFS構成を利用した場合よりもより短い長さのEDF1520を使用して、任意のSFS出力パワーを得ることが可能である。したがって、図2および図3に示す実施例はいずれも、コストおよび小型化の観点から、シングルパスの構成よりもより魅力的である。
【0017】
図2の実施例の一局面は、右から左に進むASEが、FRM1538によって反射されて反対方向に進むASEに対して、厳密に直交することである。このことは、ファイバ回路におけるすべての地点において当てはまる。たとえば、FRM1538の効果は、EDF1520に沿ってどの地点においても、(FRM1538に入射する、右から左に進む)逆方向の超蛍光のSOPが、(FRM1538から反射された、左から右に進む)反射された蛍光のSOPに直交するようにすることである。これは、FRM1538が、(WDMカプラ1532の入力ファイバ等の)標準的な低い複屈折のファイバであってそれに沿って複屈折が温度変化および圧力変化等の環境の擾乱によっていくぶん変化し得るようなファイバに、ピグテール接続されている場合にもそうである。この段落における考察はまた、図3の実施例にも当てはまる。
【0018】
この特性によって、SFSからの出力の平均波長は、ポンプ光の偏光におけるばらつきに対して比較的安定となる。このことを、物理的な考察によって以下に説明する。図2を参照して、一般性を損なうことなく、EDF1520の全長に沿って垂直偏光される、ポンプ源1526からの光の単純な仮定を考察する。EDF1520の逆方向の超蛍光は、ここではAおよびBとして示される2つの偏光成分を有する。複屈折を無視できると仮定して、成分AはEDF1520を介して右から左に進む際に垂直偏光する、すなわち、それはポンプの偏光に対して平行であって、ゲインgparを受ける。これに対し、成分BはEDF1520を介して(やはり右から左に)進む際に水平偏光される、すなわち、ポンプの偏光に対して垂直である。このため、偏光に依存するゲインのために、成分Bは異なる(わずかに低い)ゲインgperpを受ける。FRM1538によって反射された後に、成分Aの偏光は、+90度回転される、すなわち、それは水平に偏光されるようになる。これに対し、成分Bの偏光もまた+90度回転されて、垂直に偏光されるようになる。成分AがEDF1520を介して2度目に進むときに、その偏光は今やポンプ偏光に対して垂直であって、それはゲインgperpを受ける。成分Aは、EDF1520を1回目に通ったときに既にゲインgparを受けているので、2回通り終えた時点で得られた合計ゲインは、gA=gpar+gperpとなる。同様に、成分BがEDF1520を2回目に通るとき、その偏光は今やポンプ偏光に対して平行であって、それはゲインgparを受ける。成分Bは、EDF1520を1回目に通ったときにゲインgperpを既に受けているので、成分Bが2回通り終えた時点で得られた合計ゲインは、gB=gperp+gparとなる。これはgAと等しい。正味の結果として、超蛍光のどちらの偏光成分も同じゲインを得たことになり、したがって、それらは同じスペクトルを示す。この理由付けは、どのような任意のポンプ偏光にも当てはまる。したがって、図2においては、FRM1538において反射された、SFSを出る光の平均波長(出力に対するダブルパスの寄与)は、ポンプ光の偏光に対して比較的鈍感である。しかし、図2においてSFSから出る光は、EDF1520を左から右に1回のみ通ったASEもまた含む。この光の平均波長は、ポンプ光の偏光に対して通常の依存性を示すであろうが、SFS出力のこの1回のみ通過した、すなわちシングルパスの成分の強度は、EDF1520を2回通過した(2度増幅される)光の強度よりも遥かに低い。この正味の効果として、図2の実施例から得られる全体的な出力の平均波長は、ポンプ偏光に対して比較的安定になる。これらの結果に合致する、この実施例から得られるASE出力のシミュレーションを、以下に説明する。
【0019】
図3の実施例のスペクトル出力は、図2のそれよりも、少なくとも2つの理由によってより安定である。第1に、図3においては、ポンプ源1526からのポンプ光は、FRM1538によって反射されるので、反射されたポンプ光の偏光は、EDF1520に沿ってどの地点においても、順方向に伝搬する(入射する)ポンプ光の偏光と厳密に直交する。すなわち、EDFは双方向に有効にポンピングされ、反対方向に伝搬するそれら信号は、直交する偏光状態を有する。このため、ダブルパス成分の平均波長は、ポンプ偏光のばらつきに対してなおさらに鈍感になる。第2に、図3における実施例は、SFS出力に対するシングルパスASE寄与が、双方向にポンピングされるEDFによって生成されるように構成される。したがって、このシングルパス成分の平均波長は、ポンプ偏光のばらつきに対してより鈍感になる。
【0020】
にもかかわらず、図3のSFSからの出力は、以下の複数の理由により、その平均波長がポンプ偏光にいくぶんまだ依存することが予測される。まず、順方向に進行するポンプパワーは、(順方向に進行するポンプ光のいくぶんかがEDFを1回目に通過する際に吸収されるために)逆方向に進むポンプパワーよりも大きい。ただし、この差は、ポンプパワーが非常に大きくかつEDF1520がブリーチ(bleach)された場合には大いに減じられる。また、EDFにおけるゲインは、(ポンプと逆方向に伝搬する)逆方向におけるよりも、(ポンプとともに進む)順方向における方がわずかに低い。一般に、これら2つの効果は、互いに部分的に補償されるにすぎない。
【0021】
一般に、ポンプ光の偏光状態(SOP)は、ファイバの複屈折に依存する期間Lbで、EDF1520に沿って周期的に変化するものと予測され得る。典型的な低い複屈折のファイバにおいては、この期間Lbは、数十センチメートル以上の範囲である。同様に、EDFを通じて進むASE信号のすべての周波数成分のSOPもまた、EDFに沿って、Lbとは異なる期間Lb′で周期的に変化する。この差は主に、ポンプおよびASE信号が異なる波長を有するという事実に基づいて生じる。したがって、EDF1520に沿って周期的な場所において、ポンプ光およびASE信号の所与の周波数成分は、平行な(直線または円)偏光を有し、これに対し、EDFに沿った他の周期的な場所においては、ポンプおよびASE信号のその所与の周波数成分は、直交する(直線または円)偏光を有する。お互いに平行な偏光および直交する偏光のこれらの場所間の距離が、たとえばEDF1520のポンプ吸収長さよりもはるかに短い等のように十分に短い場合には、この所与のASE周波数成分は、その所与の周波数成分の偏光に対して平行および直交するよう交互に偏光されるポンプ光によって、ゲインを受けるであろう。このため、EDF1520に沿ったポンプ光の偏光のばらつきによって生じるゲインのばらつきが、平均化されることになる。端的に言えば、すべてのASE信号周波数成分は、ポンプ光およびASE信号がEDF1520の全長に沿って平行なままであった場合よりも、その偏光依存性ゲイン(PDG)がより小さくなる。その結果として、一般に見られるEDF内の複屈折の存在が、PDGを減じることになる。したがって、EDF1520内の複屈折によって、直交する偏光のSFSスペクトルの平均波長間の差(ここではΔで表わす)が、EDFを通じてASEおよびポンプ光が固定された相対偏光を有する場合に見られるよりも、より低い値へと減じられる。この事実の必然的な結果として、EDF1520の全長にわたって直線偏光を有するポンプ光は、偏光に依存するゲインおよびΔの量(これは、SFSスペクトル出力の平均波長の安定性の尺度である)を減じるのには望ましくない、ということになる。
【0022】
ErがドープされたSFSの出力スペクトルは、EDFに沿ったポンプおよび超蛍光SOPの両方の放出を説明するコンピュータコードでモデル化された。(上述のWagener他を参照されたい。)図4は、図2の構成における光スペクトルおよび、図2の構成においてFRM1538を標準的なミラーに置き換えた場合の光スペクトルを示す。これらの計算において、ポンプパワーは(1480nmで)30nWとされ、ファイバの長さは6メートルとされた。ファイバパラメータは、標準的なEDFパラメータがとられた。すなわち、1530nmにおけるファイバのピーク小信号吸収は23.7dB/mとされ、ポンプモードの有効領域をエルビウムイオンの濃度で乗じた積をエルビウムイオンの励起状態における寿命によって除したものとして規定されるファイバ飽和パラメータは1.3×10+16/m/sとされた。エルビウムイオンの離心係数(eccentricity coefficient)は0.6とされた。この係数は、J.L. Wagenerによる「エルビウムがドープされたファイバ光源および、光センサのための増幅器("Erbium doped fiber sources and amplifiers for optical sensors")」、Ph.D. thesis, Applied Physics Department, Stanford University (March 1996);および、J.L. Wagener、D.G. Falquier、M.J.F. Digonnet、およびH.J. Shawによる「エルビウムがドープされたファイバにおける偏光効果をモデル化するためのミュラー行列形式論("A Mueller Matrix Formalism for Modeling Polarization Effects in Erbium-Doped Fiber")」、J. Lightwave Technol. 16, 200-206 (February 1998)において規定され説明されている。ここに表わしたシミュレーションにおけるポンプの偏光は、EDF1520の全長に沿って直線(「x」偏光として規定される)とされた。図4において最も高い曲線は、FRMの代わりに標準的なミラーを使用して、ポンプの偏光に沿って偏光された(x偏光の)ASEの出力スペクトルである。最も低いスペクトルは、やはり標準的なミラーを使用する、ポンプの偏光に垂直に偏光された(y偏光の)ASEの出力スペクトルである。予測されるように、この2つのスペクトルは非常に大きく異なる。これら2つのスペクトルの平均波長間の計算された差(Δ)は、約100ppmである。
【0023】
これに対し、図2の実施例においてFRMを使用した場合には、同様の計算から、これらxおよびyの偏光に対するASEのスペクトルが非常に近似することがわかる(図4を参照)。これら2つのスペクトルに対するΔはわずか15ppmであり、これは、上述の予測された効果に合致する。すなわち、FRM1538が、直交する偏光のASEスペクトルを等しくするように働くのである。しかし、上述のように、これらの計算において仮定される直線のポンプ偏光は、最も望ましくないポンプ偏光構成であって、実際に作用するどのようなSFSにおいても、ポンプ光はEDF1520の長さに沿って、直線偏光を維持することはない。したがって、実際には、Δは、図2のFRMの実施例においても、その標準的な反射器を使用する変形例においても、どちらの場合にもシミュレーションによって示されるΔよりもより低い(すなわちより良い)結果が得られることになる。
【0024】
図5は、図2に示す順方向のダブルパスSFSに関する、上述のコンピュータコードおよび仮定を使用した、EDF1520の長さに対するΔの予測される依存性を示す。図5における上方の曲線は、FRMの代わりに標準的なミラーを使用する一実施例についての計算値を表わし、下方の曲線は、FRMを使用する一実施例についての計算値を表わす。すべてのEDFの長さに対して、FRMは、ファイバの長さが増すにつれて一般的に増加する大きなファクタによって、Δを減じる。たとえば、10m長さのEDFに対して、このファクタはおよそ18である。ただし、実際に作動する実施例においては、ファイバの最大長さは他の考慮事項によって制限され得ることを理解されたい。
【0025】
EDFの長さもまた、図6に示すように、SFSによって発せられるパワーに影響を与える。図6は、EDFの長さに対する、SFSによって発せられるASEパワーのシミュレーションを図示するグラフ図である。当該技術分野においてよく知られているように、出力パワーを最大にするEDF長さが存在する。(上述のものと同じ仮定を図6を生成するのに使用して)ここにモデル化される具体的なファイバおよびポンプパワーについては、最適なEDF長さは4〜6mの範囲内である。図6はまた、SFSにおいてFRMが使用されようとも標準的なミラーが使用されようとも、出力パワーは同じであることを示す。したがって、ここに示す実施例を実現する1つの方法は、所与のポンプパワーに対してSFSの出力パワーを最大にするEDF長さを選択することである。そうすれば、FRMを使用する場合、標準的なミラーを使用して達成され得るよりも、Δがより減少される結果となる(この例においては6.5倍、図5参照)。別の方法は、この最適値よりも長いEDF長さを選択することである。これによれば、出力パワーはわずかに低くなるであろうが、Δはより小さくなる(すなわち、ポンプ偏光に対して平均波長の安定性がよりよくなる)。たとえば、10mのEDF長さでは、出力パワーはほんの10%程度減じられるのみである(図6参照)が、偏光依存性のファクタは約2.8倍減じられる(図5参照)。実際には、最適なファイバ長さは、特定の応用における要件によって決定され得る。
【0026】
上述のコンピュータコードを使用したシミュレーションの結果を図7に示す。ここでは、逆方向ダブルパス構成をシミュレートした場合にその範囲のファイバ長さでコンピュータコードを用いた論理的予測の計算が収束する、制限された範囲のファイバ長さにわたるシミュレーションの結果を示す。モデル化された特定のファイバについては(ファイバパラメータは上述のものと同じとして)、コンピュータコードを用いた論理的予測の計算が収束した最大のファイバ長さは約3mであった。曲線(5)は、図2に示す順方向構成から出力されるSFSをモデル化したものであり、ここでは、ASEのみがFRM1538によってEDF1520を通じて反射される(この曲線は、図5の下方の曲線の一部である)。曲線(1)は、図2の順方向構成においてFRM1538を標準的な反射器(すなわち、FRMでないもの)に置換した場合に出力されるSFSをモデル化したものである。この場合もやはり、ASEのみが反射される(この曲線は、図5の上方の曲線の一部である)。曲線(4)は、図3の逆方向構成から出力されるSFSをモデル化したものであり、ここでは、ASEとポンプ光との両方がEDF1520を介して反射される。曲線(6)は、図3の逆方向構成において2色性のFRMを使用した場合に出力されるSFSをモデル化したものである。この場合、ポンプ光はEDF1520を介して反射されることはないが、ASEはEDF1520を介して反射される。曲線(2)は、図3の逆方向構成においてFRM1538をASEおよびポンプ光の両方をEDF120を通じて反射する標準的な反射器に置換した場合に出力されるSFSをモデル化したものである。曲線(3)は、図3の逆方向SFS構成において、FRM1538をEDF1520を通じてASEは反射するがポンプ光は反射しない標準的な(FRMでない)2色性の反射器に置換した場合に出力されるSFSをモデル化したものである。
【0027】
予測されるように、Δは一般に、曲線(1)についてよりも曲線(2)についての方が結果はより悪くなる。これは、標準的な反射器では、反射されたポンプ光が入射ポンプ光と同じ偏光を有するので、反射ポンプ光がより高いPDGに、かつしたがってより高いΔに寄与するためである。(該コンピュータコードは、ファイバ内に何ら複屈折がないものと仮定し、したがって、ポンプ光の偏光はEDFの長さに沿って直線となる。)ポンプ光がEDF1520を通じて反射されない場合(曲線(3)を参照)、Δは曲線(2)の場合よりも小さいと予測されるが、未だ調査中の何らかの理由によって、該コンピュータコードは曲線(3)に示されるような、より大きなΔを予測する。
【0028】
EDF1520を通じてポンプ光を反射するFRM1538を利用した逆方向SFS構成(曲線(4))は、予測されるように、FRM1538を利用する順方向FSF構成(曲線(5))よりも実質的によりよい結果(より小さいΔ)を生む。逆方向構成において2色性のFRMを使用することによってポンプ光が反射されない場合(曲線(6))には、この逆方向SFSは、曲線(5)に示される順方向構成とほぼ同じΔを示す。この予測は、順方向構成に対する逆方向構成の基本的な改善が、ポンプ光を反射し得るという点にあるためである。ポンプの反射を取除けば、Δは実質的に、順方向構成において得られた値に戻る。
【0029】
図7はまた、FRMの使用によってΔが、標準的なミラーを使用した光源と比較して、3メートルのファイバについては約7倍(逆方向構成)、2メートルのファイバでは約17倍の約7ppmにまで(曲線(2)に対する曲線(4))実質的に減じられることを示す。
【0030】
図8は、SFSの別の実施例を示す。ここでは、ポンプ源1526の偏光に対する出力の波長依存性を減じるために、FRM1538を利用している。図2および図3に示した実施例とは異なり、この実施例は、偏光を維持するエルビウムがドープされたファイバ(PM EDF)1520′および、偏光を維持するWDMカプラ1532′を使用する。ここでもやはり、出力端部において光アイソレータ1542が使用される。この実施例においては、ポンプ源1526からのポンプ光はPM WDMカプラ1532′内に結合され、それにより、PM EDFに入射するポンプ光の偏光は、EDF1520′の2つの複屈折軸の各々上で等しいパワーを保持する。これは、たとえば、PM WDMカプラ1532′の出力ファイバをPM EDF1520′に(たとえばスプライシングその他によって)取付けることによって達成することが可能であり、それにより、それらの複屈折軸は互いに対して45度とされる。この場合、直線偏光するポンプは、その偏光が、PM WDMカプラ1532′の複屈折軸のうち一方に整合して発せられねばならない。別の方法は、PM WDMカプラ1532′の出力ファイバをPM EDM1520′に(やはりスプライシングその他によって)取付けることであって、それにより、それらの複屈折軸が整合される。この場合、ポンプ偏光は、PM WDMカプラ1532′の複屈折軸に対して45度で発せられねばならない。EDF1520′への入力におけるポンプ偏光は必ずしも直線ではなく、それら2つの複屈折軸内に等しいパワーを発することのできる多数の偏光のうちどのような偏光(たとえば円偏光)であってもよい。
【0031】
上述のように、ポンプ光および、ASE信号の種々の周波数成分の、両方のSOPは、EDF1520′の長さに沿って周期的に、しかし異なる周期で変化し、それにより、PDGが減じられる。したがって、図8のSFSは、2つ以上の態様でPDGを減じる。第1の方法は、FRMの存在によってである。第2の方法は、EDFにおける複屈折の存在によってである。PMファイバは、PMファイバ以外の標準的なファイバよりもはるかに短いうなり長さ(beat length)を、かつしたがって、より短い差Lb−Lb′を有するので、偏光の平均化効果は、図8のPM構成の場合の方がより強くなる。このために、図8の実施例においては、Δは、図2および図3における実施例と比較してよりさらに減じられる。図8に類似した実施例であって、カプラ1532′の他方側にFRMを有する実施例もまた、同様の利点を生む。
【0032】
FRMを使用するSFS実施例のプロトタイプを図9に示す。ファイバがピグテールされた半導体レーザ1600からの1480nmのポンプ光が、WDMファイバカプラ1608の左上のポート1604を介して、EDF1520に結合された。第1の偏光コントローラPCpump1620は、ポンプ源1600とWDMカプラ1608との間に位置付けられて、ファイバ1520内に発せられるポンプ光の偏光にばらつきを与えた。SFSのポンプ端部上の反射器1624は、ASEの波長において高い反射性を有し、標準の(FRMでない)高反射器(high reflector、HR)またはファラデー回転ミラーのいずれかとされた。該反射器1624は、図9に示すように、WDMカプラ1608の左下のポート1628に取付けられた。全測定期間中、ポンプパワーおよびポンプ波長は一定に保たれた。
【0033】
WDMカプラ1608は、EDF1520からのASEの大半を反射器1624に伝送する一方で、ポンプ光の大半をEDF1520へと結合するように設計され、したがって、この実施例はダブルパスSFSとされた。EDF1520からのASE出力は、偏光感知測定システム1634によって分析された。これは、第2の偏光コントローラPCpol1638を含み、その続きに、偏光ファイバ1642(これは偏光子として働く)および、光アイソレータ1542を含んだ。光アイソレータ1542を出たASE光は光ファイバ1646を通じて進み、ASE出力の光スペクトルを得るために、光スペクトルアナライザ(OSA)1650内に結合された。コンピュータ1654がこのスペクトルを記録し、その平均波長を計算した。これら獲得および計算の動作は、ほぼ5〜10秒ごとに一回行なわれた。
【0034】
ASE出力の平均波長の、偏光に対する依存性が、可能な偏光状態すべてにわたって、2つの偏光コントローラ1620および1638を一度に1つずつ調節することによって調べられた。偏光コントローラPCpol1638は、偏光子1642によって伝送されたASE出力のその成分におけるばらつきを可能にし、それにより、OSA1650が、ASE出力の2つの直交する直線成分の各々の、平均波長を分析できるようにした。同様に、偏光コントローラPCpump1620の役割は、EDF1520内に発せられるポンプ光の偏光を変化させることであり、かつしたがって、ポンプ偏光の変動の、SFS出力の所与の直線偏光成分の平均波長に対する効果を評価することであった。
【0035】
第1の一連のテストが長さ6メートルのEDF1520に対して行なわれた。これら測定の結果を下に表1に示す。標準的なHRを反射器1624として使用した場合、PCpump1620をすべての可能な偏光状態にわたって調節したときに測定されたピークツーピークの平均波長のばらつきは16ppmであったのに対し、PCpol1638を調整したときのばらつきは40ppmであった。換言すれば、PCpump1620の所与の位置に対して、ダブルパスSFSの出力はわずかに偏光され、Δは40ppmであった。SFS出力の所与の偏光成分の平均波長はまた、ポンプ偏光に対して敏感であり、16ppmだけばらつきがあった。FRMを反射器1624として使用した場合には、この40ppmの数値も16ppmの数値も、10ppmに減じられ(下の表1を参照)、Δを減じるのにFRMを使用するのが有効であることを示した。
【0036】
これらの測定は、15メートル長さのEDFに対しても繰返され、図5に示した理論的な結果から示唆されるように、より長いEDFの方がΔがより減少することが検証された。15メートルのEDFで得られた結果を下の表2に表わす。
【0037】
【表1】
理論によって予測された傾向通り、HRを反射器1624として使用し、かつPCpol1638を調節した場合、15m長さのEDFについては、Δは40ppmから45ppmに増加した。FRMを反射器1624として使用してPCpol1638を調節した場合には、Δは、3.5ppmを下回る測定結果となった(これは、この計器におけるノイズの最低値に近似する)。Δのポンプ偏光に対する依存性については、18ppmから22ppmへとわずかに増加することがわかったが、計器のノイズの最低値(約3ppm)を考えると、この増加は大きなものではない。15mのEDFに関するデータは、より長いEDF1520を使用することによって、出力の偏光の度合いがより大幅に(3.5ppmまで)減じられ、出力パワーにおける減少はわずかであることを示している(図6参照)。PCpolの実験的に判定された値を図5のグラフに表わす。
【0038】
図9のFRM SFSにおいてPCpump1620を調節したときに見られた比較的大きな残留Δは、該して、WDMカプラ1608における偏光に依存した損失(PDL)から生じる。このPDLは、0.1dBと測定された。すなわち、ポンプ波長におけるカプラ伝送は、直線入力ポンプ偏光の配向に対して0.1dBだけ変化した。したがって、PCpump1620を調節した場合、EDF1520内に発せられるポンプパワーは、0.1dBだけ、または0.75mWだけ変化した。平均値波長がポンプパワーに依存することはよく知られている。このソースについては、6メートルのEDF SFSについては20ppm/mWだけ変化し、15メートルのSFSについては60ppm/mWだけ変化するようシミュレートされた。これらの数値を0.75mWで乗ずることにより、それぞれ、15ppmおよび45ppmが得られ、これらは表1および表2における傾向に当てはまる。このような望ましくない効果は、WDMカプラ1608とEDF1520との間にライオット減偏光子(Lyot depolarizer)を設置することによって修正され得る。
【0039】
本発明の好ましい実施例をここに開示したが、当業者においては、前掲の請求の範囲に規定された本発明の範囲および精神から離れることなく、これらに変更および修正を加えることができることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ファラデー回転ミラー(FRM)の概略図である。
【図2】 ポンプ源の偏光の変化に対する出力の波長依存性が減じられる、順方向にポンピングされる超蛍光ファイバ光源(SFS)を示す図である。
【図3】 ポンプ源の偏光の変化に対する出力の波長依存性が減じられる、逆方向にポンピングされる超蛍光ファイバ光源(SFS)を示す図である。
【図4】 SFS光源内の反射器としてFRMまたは標準的な(FRMでない)ミラーのいずれかが選択される、順方向ダブルパスのエルビウムがドープされたSFS光源からの直交するASE偏光の出力スペクトルのシミュレーションを示す図である。
【図5】 ファイバの端部においてFRMまたは標準的なミラーのいずれかを使用するダブルパスSFS光源の波長の安定性を、エルビウムがドープされたファイバの長さの関数として計算し、実験的なデータ点として表わす図である。
【図6】 順方向ダブルパスのエルビウムがドープされたSFS光源からの増幅自然放出(ASE)の合計パワーを、ファイバの長さの関数として理論的に予測した値で表わす図である。
【図7】 ダブルパスのエルビウムがドープされた種々のSFS光源からの出力の、直交するASE偏光の平均波長における差の、理論的な予測値を表わす図である。
【図8】 偏光を維持する(PM)エルビウムがドープされたファイバ(EDF)を使用することにより、スペクトル出力の波長安定性を制御する一助として複屈折効果を用いる、ダブルパスのSFS光源を示す図である。
【図9】 順方向ダブルパスのエルビウムがドープされたSFS光源からのスペクトル出力の波長安定性を調べるための、実験用セットアップを表わす図である。
【符号の説明】
1520 エルビウムがドープされたファイバ、1526 ポンプ源、1532 波長分割多重(WDM)カプラ、1538 ファラデー回転ミラー、1542 光アイソレータ、1546 ファイバオプティックジャイロスコープ(FOG)。
Claims (14)
- 超蛍光光源であって、
光ポンプと、
ドーパントを中に含むレーザ媒体とを含み、前記媒体は、前記光ポンプからのポンプ光によってポンピングされるとともに、互いに直交する第1および第2の偏光成分を有する増幅型自然放出(ASE)を発生させ、前記ポンプ光は、前記ASEが前記第1の偏光成分と前記第2の偏光成分とで平均波長の異なるスペクトルを有するように該ASEの前記第1および第2の偏光成分に異なるゲインを与え、前記ASEは、前記媒体から第1および第2の方向に放出され、前記超蛍光光源はさらに、
前記光ポンプを前記媒体に光学的に結合する光カプラと、
前記媒体から前記第1の方向に放出されるASEを受けて、該ASEが前記媒体を通って前記第2の方向に伝搬し前記媒体から前記第2の方向に放出されるように該ASEを前記媒体に向けて反射するファラデー回転ミラーとを含み、前記ファラデー回転ミラーは、反射されたASEの各偏光成分の偏光を90度回転させ、これにより、前記媒体から前記第1の方向に放出されるASEの前記第1の偏光成分を該ASEの前記第2の偏光成分として前記媒体を通って前記第2の方向に伝搬させるとともに、前記媒体から前記第1の方向に放出されるASEの前記第2の偏光成分を該ASEの前記第1の偏光成分として前記媒体を通って前記第2の方向に伝搬させ、前記ポンプ光は、前記媒体から前記第2の方向に放出される反射されたASEの前記第1の偏光成分が受ける正味のゲインと前記媒体から前記第2の方向に放出される反射されたASEの前記第2の偏光成分が受ける正味のゲインとが概ね等しくなるように、前記媒体を通って前記第2の方向に伝搬する反射されたASEの前記第1および第2の偏光成分に異なるゲインを与え、これにより前記超蛍光光源の出力の偏光依存性を低減させ、前記超蛍光光源はさらに、
前記超蛍光光源から前記第2の方向に放射されるASEの前記第1の偏光成分と前記超蛍光光源から前記第2の方向に放射されるASEの前記第2の偏光成分とをファイバオプティクジャイロスコープに入力するように構成される出力ポートを含む、超蛍光光源。 - 前記媒体と前記結合器との間に減偏光子をさらに含む、請求項1に記載の光源。
- 前記ミラーは前記光カプラに結合される、請求項1に記載の光源。
- 前記ミラーは前記媒体に結合される、請求項1に記載の光源。
- 光フィードバックを減じるよう、出力ポートに光アイソレータをさらに含む、請求項1に記載の光源。
- 前記ファイバオプティクジャイロスコープは、前記出力ポートからの出力を受取る、請求項1に記載の光源。
- 前記媒体は偏光を維持し、ポンプ光は、該ポンプ光の等しいパワーが前記媒体の複屈折軸に沿って発せられるような態様で前記媒体内に向けられる、請求項1に記載の光源。
- ポンプ光は直線偏光されて、前記媒体に、前記媒体の複屈折軸に対して45度で導入される、請求項7に記載の光源。
- 前記ドーパントはエルビウムである、請求項1に記載の光源。
- 前記超蛍光光源は、直交偏光成分のそれぞれのスペクトル出力間の平均波長差が減じられた出力を有する、請求項1に記載の光源。
- 前記超蛍光光源は、前記媒体の複屈折に対するどの偏光成分の平均波長の依存性も減じられた出力を有する、請求項1に記載の光源。
- 前記ミラーは、出力の偏光依存性をさらに減じるよう、吸収されなかったポンプ光を前記媒体を通じて反射する、請求項1に記載の光源。
- 前記媒体は光ファイバを含む、請求項1に記載の光源。
- 前記媒体は光導波管を含む、請求項1に記載の光源。
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