JPH0458718B2 - - Google Patents
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Description
発明の背景
この発明はリングレーザに関するもので、特
に、サブミリワツト級のポンプしきい値パワーを
もつた全フアイバブリユアンリングレーザに関す
る。 現在、商業的に入手可能なリングレーザは、典
型的には３個以上の鏡を備えておりこれらの鏡は
ヘリウム−ネオンガスのような媒質中に配置さ
れ、リング状をした空洞を形成して、互いに反対
方向に伝播する波をその中で導いていくように方
向決めされている。このリング状の空洞が回転す
ると、互いに反対方向に伝播する波に、この回転
速度に比例した周波数偏移が生ずる。互いに反対
方向に伝播する波の間の周波数の差を測定するこ
とによつて、このリングレーザは回転数を指示す
ることになり、このため、高精度の回転センサた
とえば慣性航法のための回転センサとして用いる
ことができる。これらのリングレーザにおいて共
通的な１つの問題としては、互いに反対方向に伝
播する波が、周波数がロツクされた状態になりや
すく、そして回転に対して感度をもたなくなると
いうことがある。このような周波数のロツキング
はこのレーザ連続的に振動（機械的に振動）させ
ることによつて防止可能ではあるが、機械的に振
動させる装置が必要であるということから、この
リングレーザの基本的な目的である、可動部を持
たない、正確で精度の高い回転センサという性質
が失われてしまう。この周波数のロツキングとい
う問題は、このレーザの利得が双方向性であると
いうこと、すなわち、互いに反対方向に伝播する
波をHe原子とNe原子の同じ集合体を用いて誘導
放出しているという事実から生ずる。このため、
この周波数のロツキングは、利得を非双方向性と
したレーザを用いることによつて除去され得るも
のと考えられている。このような非双方向性の利
得をもつているレーザの１つのタイプとしてブリ
ユアン（Brillouin）フアイバリングレーザがあ
り、このレーザは誘導ブリユアン放出のためのエ
ネルギは、このブリユアン波に対して反対方向に
伝播するポンプ光波によつて与えられる。 従来のブリユアンフアイバレーザは、典型的に
は損失をもつた混成装置であつて、共鳴レーザ空
洞を、フアイバ光学コンポーネントおよびバルク
光学コンポーネントの双方から形成させている。
たとえば、長い単一モードフアイバに対して、レ
ンズ、鏡そしてビームスプリツタを結合している
のが通例である。これらのコンポーネントの配列
を維持することは困難であつて、特に、それらが
衝撃や振動にさらされているるときにはこの傾向
が強い。さらに、このレーザの共鳴空洞の中で回
転している波の周回損失は非常に大きく、たとえ
ば70％のオーダにも及ぶ。このため、ブリユアン
利得を得るためには、たとえば100ｍＷのオーダ
という、高いしきい値ポンプパワーが必要とな
る。従来の技術において最も注意深く形成したブ
リユアンフアイバレーザにおいても、10ｍＷより
も大きなしきい値パワーが必要とされるものと考
えられている。 このため、従来のブリユアンレーザは、ポンプ
を行なうために、たとえばアルゴンガスレーザの
ような、高パワーの単一周波数レーザを利用する
のが通例である。しかしながら、このようなレー
ザは特殊な安定化技術を用いなければ周波数ドリ
フトに関してその安定性が本質的に低いものとな
つている。その上、このようなレーザのコヒーレ
ント長は相対的に短く、このため、単一周波数の
純度は相対的に低い。 したがつて、周回空洞損失が低く、それによつ
て、ヘリウム−ネオンレーザのような安定性が高
く、パワーも低く、コヒーレント長も長い単一周
波数レーザをポンプとして用いることのできる、
改良されたブリユアンを開発する要求が従来の技
術において存在していた。 発明の概要 本発明によるブリユアンリングレーザは、第１
と第２の端部と、この両端部の間に形成されたル
ープ部分を持つた、或る長さの光フアイバを備え
ている。このループ部分はフアイバ光学結合器に
よつて光学的に閉じられており、このループ部分
の長さは、この結合器と協働して共鳴空洞を形成
するように選ばれる。光源によつて第１の端部に
ポンプ光を送り込み、これによつてこのループ部
分の中を通してポンプ光波を伝播させる。このポ
ンプ光波は共鳴空洞の中を回転してその強度を増
す。そして第１の端部に入つたポンプ光の強度よ
りも大きなレベルであつて、かつ、このフアイバ
ループ部分の中でブリユアン散乱を誘起させるこ
とによつて、ポンプ光波に比べて周波数が偏移し
た、フアイバループ部分の中をポンプ光波とは反
対の方向に回転するブリユアン波を生じさせるに
十分なレベルまでに達する。 好ましい実施例においては、この回転するポン
プ光波は後に示す第28式によつて特定される強度
よりも大きな強度をもつており、そして、第１の
端部におけるポンプ光波は、後に示す第30式によ
つて特定される強度よりも大きな強度をもつてい
る。このような好ましい実施例におけるポンプ光
強度は10ミリワツトよりも小さくなつている。そ
れに加えて、好ましくは、フアイバ伝送損失が結
合器の挿入による損失と等しくなるように、この
ループの長さが選ばれる。 １つの実施例においては、このブリユアンリン
グレーザは回転センサとしての形式をとつてお
り、このようなリングレーザは、第２の端部から
の光を検出する検出器をさらに備えている。この
実施例では、光源はさらに第２のポンプ光波を第
２の端部に入れるため、ループのまわりを互いに
反対方向に伝播する２つのポンプ光波が存在する
ことになる。これらのポンプ光波の双方は、この
ループの共鳴周波数をその周波数としてもつてお
り、また、ループの中で誘起されたブリユアン散
乱を発生させて、それぞれ対応するポンプ波に対
し反対の方向に伝播する、２つの互いに反対方向
に伝播するブリユアンを生じさせるに十分な強度
をもつている。このブリユアン波はポンプ光波の
周波数においてループの中で共鳴するが、このブ
リユアンの共鳴を起こす周波数はループ部分の回
転に応答して変化する。そしてこの変化によつて
ブリユアン波の周波数の差が生じ、この周波数の
差はループ部分の回転速度を指示する量となつて
いる。この２つのブリユアン波のそれぞれの一部
分はループから取出されて結合され、このブリユ
アン波の間の周波数の差に等しいうなり周波数を
もつた出力を形成することになる。このブリユア
ン出力波は第２の端部によつて結合器へと導か
れ、そしてこの検出器がうなり周波数を検出す
る。 この発明はまた、光フアイバの中に誘導ブリユ
アン振動を与える方法をも含んでいる。この方法
は、フアイバの中にループ形成するステツプと、
フアイバ光学方向性結合器によつてこのループを
光学的に閉じるステツプとを含んでいる。そし
て、このループを、ブリユアン散乱を生じさせる
に十分な強度と、ループの共鳴周波数に等しい周
波数とをもつた光によつてポンプする。好ましく
は、ループの長さは、フアイバの伝送損失が結合
器の挿入による損失に等しくなるように選ばれ
る、この方法は回転センシングに用いてもよく、
その場合は、ポンピングのステツプはさらに、フ
アイバに第１と第２の入力光ポンプ波を導き入れ
てループのまわりに互いに反対方向に伝播させる
ことを含む。この２つのポンプ光波はループの共
鳴周波数に等しい周波数と、ブリユアン散乱をル
ープの中において誘起させて、第１と第２のポン
プ光波に対してそれぞれ反対方向に伝播するとと
もにループの中で共鳴する第１と第２のブリユア
ン波を生じさせるに十分な強度とをもつている。
この方法を回転センシングに用いる場合には、ル
ープを回転させることによつてブリユアン波の間
の周波数の差を与えることと、第１と第２ブリユ
アン波の一部分をループから取出して結合し、そ
れらを組合わせて出力波を形成させることもまた
この方法の中に含まれる。そしてブリユアン波の
間の周波数の差に等しいシート周波数をもつたブ
リユアン出力波が検出される。 したがつて、この発明のブリユアンリングレー
ザは、その全体が光学フアイバの中に含まれる共
鳴レーザ空洞を与える。特に、この空洞はフアイ
バ光学方向性結合器を用いることによつて、継ぎ
目のない、閉じた光学フアイバのループを備える
ものである。この結合器は好ましくは調整可能な
エバネセントフイールド（evanescent field）結
合器であつて、このエバネセントフイールド結合
器の挿入による損失が非常に小さく（たとえば５
％以下）、フアイバの中を通つて回転する波の周
回損失も極めて低くなるような結合器である。こ
のため、好ましい実施例においては、ブリユアン
レーザ作用は10ミリワツトより小さいポンプパワ
ーにおいて達成される。これによつて、従来技術
では得ることのできない、しきい値パワーも低い
ブリユアンレーザの全く新しい種類を与えること
ができる。好ましい実施例においては、わずか
0.43ミリワツトのポンプパワーにおいて、誘導ブ
リユアン振動が観測されている。 ブリユアンレーザにおいて必要とされるしきい
値ポンプパワーは、フアイバループの長さを適当
に定めることによつてさらに減少させることが可
能であることが判明している。特に、フアイバル
ープの長さは、フアイバ伝送損失（たとえば、フ
アイバによる光の吸収に起因するもの）が結合器
の挿入による損失と等しくなるように、正しく選
ぶ必要がある。 好ましい実施例の詳細な説明 この発明のブリユアンレーザは、フアイバ光学
共鳴器を利用する。第１図に示されているよう
に、この共鳴器は、単一モード光フアイバの連続
的な、集団のないストランド１０を備えており、
このストランドは入力端部１２、ループ部分１
４、および出力端部１６をもつている。ループ部
分１４の両端において、フアイバ１２がこれと光
学的に結合しており、この結合は一方の側にポー
ト１および２を、他方の側にポート３および４を
持つた、フアイバ光学エバネセントフイールド４
ポート方向性結合器２０によつて行なわれる。フ
アイバ１２の一端から他端へとたどつて行くと、
フアイバ１０は最初にポート１および３を、そし
てポート２および４を通過する。これによつてル
ープ１４がポート３および２から延び、一方、入
力部分１２はポート１から延び、そして出力部分
１６はポート４から延びていることになる。 入力フアイバ部分１２に光を入れて、ループ部
分１４を通して回転させるために、レーザ光源２
２を用いている。この光源２２はTropel.model
200He−Neガスレーザのような、単一周波数の、
コヒーレンス長の長い、連続波レーザ２４を備え
ている。このレーザは632.8nｍの波長と、１キロ
メートルを十分越えるコヒーレンス長とをもつた
単一周波数光を発生する。 レーザ２４からの光を集光してフアイバ部分１
２の中に入れるために、レンズ２６を用いること
ができる。これに加えて、レーザ２４とレンズ２
６との間に、偏光子３０および４分の１波長板３
２を備えた光学的アイソレータ２８を挿入し、レ
ンズ２６およびフアイバ部分１２から反射した光
がレーザ２４に入つて、その動作を妨害するのを
防止してもよい。 実施例において示した共鳴器においては、フア
イバ１０はITT単一モードフアイバを備えてお
り、このITT単一モードフアイバはコア直径４
ミクロン、有効コア面積1.6×10-7cm2、有効反射
率1.46、および吸収8.3db／Kmをもつたものであ
る。ループ１４はループ１４の中でのフアイバ複
屈折を補償するための偏光コントローラ４０を含
んでおり、それによつて、結合器２０のポート２
における回転する光は実質的にポート１における
レーザ光源２２からの光と同じ偏光を持つことに
なる。 偏光コントローラ４０および結合器２０は、バ
ルク光学コンポーネントと区別される、フアイバ
光学的のものである。 結合器２０ 共鳴器において、結合器として用いることので
きる好ましいフアイバ光学方向性結合器は、1980
年３月29日に発行されたエレクトロニクスレター
ズ（Electronics Letters）第16巻、第７号、第
260頁から第271頁において記載されている。 第２図に示されているように、この結合器は、
単一モードフアイバ光学材料の２つの典型的なス
トランド５０Ａおよび５０Ｂを含んでおり、これ
らはそれぞれ溝５２Ａおよび５２Ｂの中に縦に取
付けられている。この溝５２Ａおよび５２Ｂは、
それぞれ、矩形のベースすなわちブロツク５２Ａ
および５３Ｂの光学的に平坦な相対する表面に形
成されている。溝５２Ａの中にストランド５０Ａ
が取付けられたブロツク５３Ａを結合器の片側５
１Ａと呼び、溝５２Ｂの中にストランド５０Ｂが
取付けられたブロツク５３Ｂを係合器の片側５１
Ｂと呼ぶことにする。 アーチ状の溝５２Ａおよび５２Ｂは、フアイバ
５０の直径に比べて非常に大きな曲率半径をも
ち、またフアイバの直径よりも少し大きな幅をも
つことによつて、フアイバ５０をその中に取付け
たときに、溝５２の底壁によつて定められる経路
に固定されるようになつている。溝５２Ａおよび
５２Ｂの深さは、ブロツク５３Ａおよび５３Ｂの
中心部分における最小値から、ブロツク５３Ａお
よび５３Ｂのエツジにおける最大値まで、それぞ
れ変化している。これは、フアイバ光学ストラン
ド５０Ａおよび５０Ｂをそれぞれ溝５２Ａおよび
５２Ｂの中に取付けたとき、これらが中心部分に
向かつて緩やかに集まり、ブロツク５３Ａ，５３
Ｂのエツジに向かつて緩やかに広がることによつ
て、モードの摂動を通して損失を発生することが
ある、フアイバ５０の方向におけるどのような鋭
い湾曲や急激な変化をも防止することができると
いう利点をもつている。溝５２は断面が矩形とな
つているが、この代わりに、たとえばＵ形の断面
やＶ形の断面といつた、フアイバ５０にとつて都
合の良い、他の適当な断面の輪郭を持つていても
よいことが理解されよう。 ここに示されている実施例においては、ブロツ
ク５３の中心部分において、ストランド５０を取
付ける溝５２の深さはスランド５０の直径よりも
小さくなつており、一方、ブロツク５３のエツジ
において溝５２の深さは好ましくは少なくともス
トランド５０の直径と同じ程度となつている。ス
トランド５０Ａおよび５０Ｂからは、たとえばラ
ツピングによつて、フアイバ光学材料が取り除か
れており、これによつてそれぞれが楕円形の平坦
な表面を持つが、この平坦な表面はブロツク５３
Ａ，５３Ｂの相対する表面と同一平面上に存在す
ることになる。ここではこの、フアイバ光学材料
が取り除かれた楕円形の表面を、フアイバ“対向
表面（facing surfaces）”と呼ぶことにする。し
たがつてフアイバ光学材料を取り除く量は、ブロ
ツク５３のエツジの方向における０から緩やかに
増大し、ブロツク５３の中心部分の方向で最大値
となる。フアイバ光学材料を先細に取り除くこと
によつて、フアイバが緩やかに狭くなり、また、
広くなうことによつて、後方反射と光エネルギの
損失が過剰になることとを防止することができ
る。 ここに示した実施例においては、結合器の片側
５１Ａおよび５１Ｂは同一のものであつて、ブロ
ツク５３Ａおよび５３Ｂの表面が互いに相対する
ように設置し、ストランド５０Ａおよび５０Ｂの
対向表面が対向する関係をもつように並べること
によつて組立てられる。 屈折率整合オイルのような屈折率整合物質（図
示せず）を、ブロツク５３の相対する表面の間に
配置する、この物質は、クラツドの屈折率とぼぼ
等しい屈折率をもつているとともに、光学的に平
坦な表面が互いに永久的にロツクされてしまうこ
とを防止するという機能をも果たすものである。
このオイルは、毛細管作用によつてブロツク５３
の間に入れられる。 相互作用領域５４はストランド５０の接合部に
形成されるが、ここではエバセントフイールド結
合によつてストランドの間で光が伝送される。適
当なエバネセントフイールド結合を保証するため
には、ストランド５０のコア部分の間の距離が、
予め定められた“臨界ゾーン”の中に入つている
ように、フアイバ５０から取り除かれる材料の量
を注意して制御しなければならないということが
判明している。このエバセントフイールドはクラ
ツドの中に向かつて広がり、それらのそれぞれの
コアの外側では距離が大きくなるとともに急速に
減少する。このため、それぞれのコアが実質的に
他方のエバセントフイールドの中にあるようにす
るためには、十分な量の材料を取り除く必要があ
る。取り除く量が少なすぎる場合には、コアの間
の接近が十分でなく、エバセントフイールド結合
により、ガイドされたモードの間の所望の相互作
用が得られず、その結果、接合が不十分となる。
逆に、取り除く量が多すぎる場合にはフアイバの
伝播特性が変わつて、モード摂動に起因する光エ
ネルギの損失が起こる。しかしながら、ストラン
ド５０のコアの間の距離が臨界ゾーン内にあれ
ば、それぞれのストランドは、他のストランドか
らのエバセントフイールドエネルギの有意な一部
分を受取ることにより、エネルギ損失が問題とな
ることなしに良好な結合を達成することができ
る。この臨界ゾーンは、フアイバ間の結合が達成
されるような、すなわちそれぞれのコアが他のエ
バネセントフイードの中にあることになるような
十分な強さで重なる領域を含んでいる。しかしな
がら、前に示したように、コアの間があまりにも
接近しすぎると、モード摂動が発生してしまう。
たとえば、弱くガイドされたモードたとえば単一
モードフアイバの中にHE11モードに対しては、
このようなモード摂動は、フアイバ５０から十分
な物質が取り除かれてそれらのコアを露出したと
きに発生するものと考えられている。このため、
臨界ゾーンは、エバセントフイールドが十分な強
さで重なり合うが、実質的なモード摂動によつて
誘起されるパワー損失は生じないような結合を発
生させる領域として定義される。 特定の結合器に対する臨界ゾーンの範囲はフア
イバ自身のパラメータや結合器の幾何学的な形状
などのような、互いに関係をもつた多くのフアク
タに依存している。さらにステツプインデツクス
断面をもつ単一モードフアイバに対しては、この
臨界ゾーンは非常に狭いものとなることが可能で
ある。ここに示したタイプの単一モードフアイバ
結合器においては、結合器の中心部におけるスト
ランド５０の間の中心間距離は、典型的にはコア
の直径の数倍（たとえば２−３倍）よりも小さい
ものが要求される。 好ましくは、ストランド５０Ａおよび５０Ｂ
は、(1)互いに同一のものであり；(2)相互作用領域
５４において同じ曲率半径をもち、そして；(3)そ
れからは等量のフアイバ光学材料が取り除かれて
それぞれの対向表面を形成している。したがつ
て、フアイバ５０は、相互作用領域５４を通し
て、それらの対向表面で対称的なものとなつてお
りこのため、それらの対向表面は、重ねられたと
きに同一の広がりをもつている。これによつて２
つのフアイバ５０Ａおよび５０Ｂは相互作用領域
５４において同じ伝播特性をももつことになり、
それによつて、伝播特性が異なつている場合に生
ずる結合吸収を防止することができる。 ブロツクすなわちベース５３は、適当な剛性材
料であればどのようなものから作られていてもよ
い。ここでの好ましい実施例では、ベース５３
は、約１インチの長さ、約１インチの幅そして約
0.4インチの厚さをもつた、溶融石英ガラスの矩
形ブロツクを一般に備えている。この実施例で
は、フアイバ光学ストランド５０はエポキシ接着
剤のような適当な接合剤によつてスロツト５２の
中に固定されている。溶融石英ガラスブロツク５
３を用いることの利点のうちの１つは、それガラ
スフアイバと同様の熱膨張係数をもつていること
であり、この利点は、ブロツク５３とフアイバ５
０とが、製造プロセスの間において少しでも熱処
理を受ける場合には、特に重要なものである。ブ
ロツク５３として適当な他の材料はシリコンであ
り、これもまた、この応用のための優れた熱的性
質をもつている。 第２図の結合器は、Ａ，Ｂ，ＣおよびＤと符号
を付けた４つのポートを含んでおり、これらはポ
ート１，２，３および４とそれぞれ対応してい
る。第２図を全体的に見ると、それぞれストラン
ド５０Ａおよび５０Ｂに対応するポートＡおよび
Ｂはこの結合器の左側にあり、一方、ストランド
５０Ａおよび５０Ｂにそれぞれ対応するポートＣ
およびＤはこの結合器の右側にある。以下の議論
の便宜上、入力光はポートＡに与えられているも
のとする。この光はこの結合器を通つてポートＣ
および／またはポートＤから出力されるが、この
出力はストランド５０の間で結合されるパワー量
に依存している。これに関して、“結合定数”を、
全出力パワーに対する結合されたパワーの比とし
て定義する。上述した例では、この結合定数は、
ポートＣおよびＤにおけるパワー出力の和に対す
るポートＤの出力の比に等しくなるであろう。こ
の比はまた、“結合効率”とも呼ばれ、この用語
を用いる場合には通常パーセントで表現される。
したがつて、“結合定数”なる用語をここで用い
る場合には、これに対応する結合効率は、この結
合定数を100倍したものと等しくなるものと考え
なければならない。たとえば、結合定数が0.5で
あるということは、結合効率が50％であるという
ことと等価である。 この結合器は、ブロツク５３の対向表面のオフ
セツトを行なうことによつて、結合定数を“調
整”し、０から1.0までの間のどのような所望の
値にも“調節”することができる。このような調
整は、ブロツク５３を互いに水平方向に滑らせる
ことによつて行なうことができる。 この結合器は高い方向性をもつており、結合器
の１つの側に加えられたパワーのほとんどすべて
が結合器の他の側に伝えられる。すなわち、入力
ポートＡに加えられた光のほとんどすべてはポー
トＣおよびＤに伝えられ、ポートＢへの逆方向結
合は発生しない。同様に、ポートＢに加えられた
光のほとんどすべてはポートＣおよびポートＤへ
と伝えられる。さらに、この方向性は対称的であ
つて、ポートＣおよび入力ポートＤのうちのいず
れかに加えられた光のほとんどすべてはポートＡ
およびＢへと伝えられ。その上、この結合器は偏
光状態に対する区別をほとんど行なわないため、
光の偏光状態を保存する性質をもつ。したがつ
て、たとえば、垂直偏光の光ビームがポードＡに
入力した場合、ポートＡからポートＣへと直進し
た光と同様に、交差結合によつてポートＡからポ
ートＤへと進む光の垂直偏光を維持している。 １つのフアイバから他のフアイバへと交差結合
した光は、＋π/2の位相のずれを受けているが、
交差結合していない光はこの結合器を通つて伝播
する間に位相がずれることはない。このため、た
とえば光がポートＡに入力すると、ポートＤにお
ける交差結合を行なつた光はπ/2だけ位相が進
み、一方、ポートＣへと直進する光の位相は変化
していない。 この結合器はまた、低損失デバイスであつて、
典型的には２−３パーセントの挿入損失すなわち
通過損失をもつのみである。ここで用いる“挿入
損失”とは、この結合器を一端から他端へと通過
する光が現実に散乱を受けて破る損失のことをい
う。たとえば、ポートＡに光が与えられ、この光
の97％がポートＣおよび（結合された）ポートＤ
へ到達する場合には、この挿入損失は0.03（３％）
となる。“結合器伝送”という用語は１から挿入
損失を差し引いたものとして定義される。したが
つて、挿入損失が0.03（３％）であれば、結合器
伝送は0.97（97％）となる。 偏光コントローラ４０ 第１図の偏光コントローラ４０として用いるの
に適した偏光コントローラの１つのタイプが、
1980年９月25日に発行されたエレクトリツクレタ
ーズ第16巻、第20号、第778頁から第780頁に記載
されている。 第３図に示されているように、このコントロー
ラはベース７０およびこの上に設置された複数の
直立ブロツク７２Ａないし７２Ｄを含んでいる。
ブロツク７２のうちの隣接したブロツクの間に
は、スプール（spool）７４Ａないし７４Ｃが、
それぞれシヤフト７６Ａないし７６Ｃの上に沿つ
て設置されている。このシヤフト７６は互いに１
つの軸に沿つて配列されており、ブロツク７２の
間で回転可能に取付けられている。スプール７４
は、一般的に円筒形であつて、シヤフト７６に沿
つて位置決めされ、スプール７４の軸はシヤフト
７６の軸に直角となつている。フアイバの部分１
４（第１図）は、シヤフト７６の軸の内孔に沿つ
て延びており、スプール７４のそれぞれのまわり
に巻かれて３つのコイル７８Ａないし７８Ｃを形
成している。コイル７８の半径は、フアイバ１４
が押し付けられてコイル７８のそれぞれにおいて
複屈折媒体を形成するように定められる。この３
つのコイル７８Ａないし７８Ｃは、シヤフト７４
Ａおよび７４Ｃの軸のまわりで互いに独立に回転
して、フアイバ１４の複屈折を調節し、それによ
つて、フアイバ１４を通過する光の偏光を制御す
ることができるようになつている。 コイル７８での巻回の直径および巻数は、外側
のコイル７８Ａおよび７８Ｃが４分の１波長の空
間的な遅延を与え、一方、中央のコイル７８Ｂが
２分の１波長の空間的な遅延を与えるように定め
られる。４分の１波長コイル７８Ａおよび７８Ｃ
は偏光の楕円性を制御し、２分の１波長コイル７
８Ｂは偏光の方向を制御する。これによつて、フ
アイバ部分１４を通つて伝播する波の偏光状態を
全範囲で調節することができる。しかしながら、
この偏光コントローラを変形して、２つの４分の
１波長コイル７８Ａおよび７８Ｃのみとしてもよ
いことがわかるであろう。それは、（そうでない
場合に中央のコイル７８Ｂで与えられる）偏光の
方向は、２つの４分の１波長コイル７８Ａおよび
Ｃを用いて、偏光の楕円性を適当に調節すること
を通して、間接的に制御することもできるからで
ある、このため、第１図に示した偏光コントロー
ラ４０は、２つの４分の１波長コイル７８Ａおよ
び７８Ｃのみを含んでいる。このような配置をす
ることによつてコントローラ４０の全体的なサイ
ズを小さくすることができるため、空間的に制限
されているような特定の用途に、この発明を適用
するときには、有利となろう。 したがつて、フアイバ部分１４を通つて伝播す
る光の偏光状態を確立し、維持し、そして制御す
る手段が偏光コントローラ４０によつて与えられ
ることになる。 共鳴器の動作 再び第１図を参照すると、その動作において、
光源２２からフアイバ部分１２へと入つた光は、
結合器２０のポート１へと伝播し、ここでこの光
の一部分がポート４へと結合するとともに、光の
他の部分はポート３へと伝播する。ポート４にお
ける光はフアイバ部分１６を通つて伝播し、そし
て、フアイバ１０の終端から出る。ところが、ポ
ート３における光はループ部分１４を通つて再び
ポート２からこの結合器に入る。この部分はポー
ト３に結合しており、一方、残りの部分はポート
４に伝播してフアイバ部分１６を通つてゆく。ル
ープ１４と結合器２０は共働して共鳴空洞を与
え、ポート２で結合器に入る光は、レーザ光源２
２から入つてくる光と干渉を起こす。このような
干渉はポート３において強め合いを生ずるが、一
方、ポート４では弱め合いを生じさせ、それによ
つて共鳴空洞ループの中での光の確立が生ずる。 以下、光源２２からの光であつて、フアイバ部
分１２を通つて伝播する光を入力信号波Wiと呼
び、一方、ポート４から出てフアイバ部分１６を
通つて伝播する光を、出力信号波Woと呼ぶこと
にする。ループ部分１４の中を回転している光は
回転波Wcと呼ぶ。 回転波Wcはループ１４のまわりをポート３か
らポート２へと伝播するため、そのパワーの一部
分は伝送損失によつて失われる。“フアイバ伝送
損失”という用語は、光がフアイバを通つてポー
ト３からポート２へと伝播する間に生ずる部分的
な損失として定義する。ここに示す実施例では、
フアイバ伝送損失は完全にフアイバ吸収の関数で
あつて、ポート２における波Wcのパワーすなわ
ち強度は、ポート３における波Wcのパワーに、
exp（−2α0L）を掛けたものに等しい。ここで、
Ｌは光が回転しているループ１４の経路長であつ
て、結合器２０での位相のずれは除外してあり、
また、α0は、フアイバ１０の振幅吸収係数であ
る。このフアイバループの中に他の付加的なコン
ポーネント（たとえばフアイバ光学偏光子）を設
置する場合には、このコンポーネントに起因する
損失を、フアイバ伝送損失の定義の中に含めるこ
とになる。また、“フアイバ伝送”なる用語は、
ポート２における回転波パワーをポート３におけ
る回転波のパワーによつて割算したものとして定
義する。他の方法で説明すれば、これは、ポート
３からのパワーのうちポート２へ到達する部分の
量である（すなわち、フアイバ伝送＝１−フアイ
バ伝送損失）。 フアイバ伝送損失によつて吸収されることに加
えて、この回転波Wcは、結合器２０を通るそれ
ぞれの経路における結合器挿入損失のために若干
弱められる。さらに、入力波Wiのパワーすなわ
ち強度は、結合器２０を通つて伝播する間に、結
合器挿入損失による損失を受ける。これに関し
て、結合器２０を、結合定数とは独立の、加算さ
れて１つとされた挿入損失（γ0）をもつた無損失
デバイスとしてモデル化することができる。結合
器挿入損失と結合２０の４つのポートのそれぞれ
における複素振幅との関係は次の式のようにな
る； ｜E3｜2＋｜E4｜2＝（１−γ0）（｜E1｜2＋｜E2｜
２） (1) 但し；E1、E2、E3およびE4はそれぞれ、結合
器ポート１，２，３および４における複素電界振
幅であり；γ0は結合器挿入損失（典型的に２％か
ら10％のオーダ）である。 ポート３およびポート４における複素振幅は、
ポート１およびポート２における電界振幅と次の
関係にある： E3＝（１−γ0）1/2［（１−Ｋ）1/2E1＋jK1/2E2 (2) および E4＝（１−γ0）1/2［（１−Ｋ）1/2E2＋jK1/2E1 (3) 但し、Ｋは強度結合定数である。Ｋ＝０では結
合は全く存在せず、Ｋ＝１では完全結合が存在し
ていることに対応している。E2およびE3との間
には、さらに、次のような関係がある； E2＝E3e-〓0Lej〓L (4) 但し； β＝nω／ｃ (5) であり；α0はフアイバの振幅吸収係数；Ｌはフア
イバループ部分１４の長さ；ｎはフアイバの有効
屈折率；ωは光の周波数；βはフアイバ１０の伝
播定数；そして、ｃは光速である。 共鳴を完全に行なわせるためには、出力波Wo
は０でなければならず、このため、比E4／E1は
０でなければならない。したがつて、第２式、第
３式および第４式を解いて、E4／E1をγ0、Ｋ、
α0LおよびβLで表わし、E4／E1を０と置くと、
ループの長さＬおよび結合定数Ｋについて書かれ
た共鳴条件が得られる。共鳴に必要な条件のうち
の１つは； βL＝q2π−π／２ (6) であり、ここでｑは任意の整数である。 このため、完全な共鳴を生じさせるためには、
結合器２０による位相のずれを除いたループ１４
のまわりでの全位相遅延（βL）は、2πラジアン
の整数倍からπ／２だけ小さくなつていなければ
ならない。 第２式および第３式によつて、方向性結合器２
０は＋π／２の位相のずれをもつていることに注
意されたい。この位相のずれを第６式のβLに加
えることにより、ループ１４を通る（たとえば、
このループの任意の点からループを回つて、この
任意の点まで戻る）際に回転波Wcに蓄積される
全位相はｑ（2π）に等しくなることがわるかるで
あろう。以下の議論から理解されるように、この
ループの長さはこの共鳴器が組立てられた後に、
この共鳴条件を満足するように調節することがで
きる。これは、フアイバ１４が巻かれている電気
的に駆動されるPZTシリンダを用いてフアイバ
１４を機械的に伸長させることによつてなされ
る。 第６式で特定される共鳴条件は第４図を参照す
ることによつてより完全に理解できるであろう。
第４図は、結合器２０のπ／２の位相のずれをう
まく利用して、ポート３における強め合いの干渉
と、ポート４における弱め合いの干渉とを生じさ
せる方法を示している。議論の便宜上、結合器２
０は、結合器２０の中心部分における有効結合点
と、この点から波長の整数倍だけ離れて隔てられ
たポート１，２，３および４を持つものとして示
される。ループの長さＬはこの結合点からループ
１４を回り、この結合点に戻る距離として見るこ
とができる。この距離は、ｑを整数として、（ｑ
−1/4）波長でなければならない。 第４図において、入力信号波Wiは位相０をも
つたで基準波であり、他のすべての波（すなわち
WcおよびWo）の位相は、この入力波Wiに対し
て相対的に定められるものと仮定する。さらに、
結合器２０を通つて伝播するすべての波を２つの
成分、すなわち、添字ｃで示される“交差結合”
成分と、添字ｓで示される“直通”成分とに分け
ることにする。このため、入力波Wiは、ポート
１からポート４へと伝播する交差結合成分Wic
と、ポート１からポート３へと伝播する直通成分
Wisとに分けられる。同様に、波Wcはポート２
からポート３へと伝播する交差結合成分Wccと、
ポート２からポート４へと伝播する直通成分Wcs
とに分けられる。 光源２２がｔ＝０においてターンオンしたとす
れば、入力波Wiが結合器２０のポート１に位相
０で入り、その中を伝播する。交差結合成分Wic
はポート４に伝播する間に＋π／２の位相のずれ
を受け、一方、直通成分Wisはポート３に伝播す
る間にその位相は変化しないままとなつている。
したがつて、ポート３における光波Wcはその位
相が０である。この波Wcはそれからループ１４
を回つて伝播し、ポート２へと向かう。ループの
長さＬを第６式に従つて選んだ場合、波Wcはポ
ート２に到着したとき−π／２の位相をもつこと
になる。波Wcが結合器２０を通つて伝播する間
に、交差結合成分Wccは＋π／２だけ位相がずれ
て、これがポート３に到着したとき、その位相は
入力波成分WiSの位相と同様に０である。したが
つて、回転波成分Wccはポート３において入力波
成分Wisと強め合うように干渉し、それによつて
ポート３における回転波Wcの強度は増大するこ
とになる。他方、回転波Wcの直通成分Wcsはそ
れがポート２からポート４へと伝播する間に位相
が変化することはなく、そのため、ポート４にお
いてもその位相はなお−π／２のままとなつてい
る。このため、この成分Wcsは、＋π／２の位相
をもつた交差結合入力波成分Wicと弱め合うよう
に干渉する。 その結果として、波Wcがループ１４を通つて
回転すると、これはポート３において入力信号波
Wiと強め合うように干渉し、そしてポート４に
おいてそれと弱め合うように干渉し、それによつ
て第５図に示すように平衡値Pc（eq）に達するま
で、ループ１４を回転する波のパワー（強度）
Pcを緩やかに（そして漸近的に）確立させる。
このような波が平衡値の63％（すなわち、１−
ｅ）まだ確立するように要求される時間は空洞成
長時間（Tc）として定義され、また、一般的に
空洞遅延時間とも呼ばれる。 平衡値において完全な共鳴を達成し、そしてポ
ート４において出力パワーが０となるためには、
第２の条件が満足されなければならない。すなわ
ち、ポート４における直通回転波成分Wcsはポー
ト４における交差結合入力信号成分Wicの振幅に
等しい振幅をもつていなければならないのであ
る。こうしう状況を発生させるためには、結合定
数Ｋを値Krに調節することになるが、この値を
以下“共鳴結合定数”と呼ぶことにする。第２
式、第３式および第４式をE4／E1について解き、
E4／E1を０と置く（これは共鳴条件である）こ
とによつて、この共鳴結合定数Krは次のように
なる； Kr＝（１−γ0）exp（−2α0L） (7) ここに示す実施例においては、この結合伝送は
（１−γ0）であり、フアイバ伝送はexp（−2α0L）
である。したがつて、 Kr＝結合伝送×フアイバ伝送 (8) となる。 開示した実施例においては、フアイバ吸収は
8.3dB／Km、ループ１４は10メートル、そして
2α0Lは632.8nmの波長において0.0158等に等しく
なる。結合器挿入損失が1.8％であるため、共鳴
結合定数は0.967となる。 第７式によつて特定される共鳴結合定数を用い
ると、第２式、第３式および第４式によつて回転
パワー（強度）および出力パワー（強度）は入力
パワーによつて正規化された値として： ｜E3／E1｜2＝Pc(3)／Pi＝（１−γ
0）（１−Kr）／（１＋Kr）2−4KrSin2（βL／２−π／
４）(9) ｜E4／E1｜2＝Po／Pi＝（１−γ0）〔１−（
１−Kr）2／（１＋Kr）2−4KrSin2（βL／２−π／４）
(10) となる。ここでPc(3)はポート３における回転波
Wcのパワー（強度）であり；Piは入力信号波Wi
のパワー（強度）であり；そしてPoはポート４
における出力波Woのパワー（強度）である。 βLを、第６式によつて特定される共鳴条件を
満足するよえに選べば、第９式は： Po／Pimax＝１−γ0／１−Kr (11) となる、この方程式は次のように書き換えること
ができる。 Pi＝Pc（１−Kr）−Piγ0 (12) 第６式が満足されている場合には、（１−Kr）
は回転波Wcの周回部分強度損失（すなわち、結
合器挿入損失＋フアイバ伝送損失）と等しくな
る。このため、第12式の右辺は結合器２０および
ループ１４において散逸された全パワーを表わす
ことになるに。その結果、第12式からわかるよう
に、完全な共鳴状態では、回転パワーpcは、ル
ープおよび結合器において散逸される全パワーが
ボート１における入力パワーPiに等しくなるよう
なものとなつている。 それぞれ第９式および第10式によつて特定され
る正規化された理論的な回転パワーおよび出力パ
ワーはそれぞれ第１図および第７図において、２
つ典型的な結合器挿入損失の値すなわち５％およ
び10％に対して、βLの関数として示されている。
これの曲線はループの長さが３メートル（2α0L
＝0.0057）である場合についてのものであるが、
ループの長さが10メートルである場合においても
同様な曲線が描かれるものであるということを理
解できるであろう。第６図に示されているように
回転パワーPcは結合器挿入損失に強く依存し、
10％の挿入損失に対して入力パワーPiの約９倍で
あり、５％の挿入損失に対しては入力パワーPiの
ほぼ19倍となる。これとは対照的に、出力パワー
Poは第７図に示すように、このどちらの場合に
おいても完全な共鳴状態において０へと減少す
る。しかしながら、第６図および第７図の最小値
および最大値は挿入損失が減少するに従つて鋭く
なり、空洞フイネス（finesse）は結合器挿入損
失に強く依存するものであることを示している。 この空洞フイネスＦは次の式で定義される。 Ｆ＝FSR／δf (13) 但しFSRは共鳴空洞の自由スペクトルレンジ
（すなわち、最小値（第７図）または最大値（第
６図）の間の距離）であり；そして、δfは最大回
転パワーの２分の１（すなわち完全な共鳴におけ
る２分の１のパワー）での回転のパワー最大値
（第６図）の幅である。この自由スペクトルレン
ジFSRは次のように定義することができる。
FSR＝Ｃ／nL (14) 第９式を｜Pc(3)／Pi｜maxの２分の１と等し
いと置くことによつて、最大値の半分における全
幅は次のようになる： δf＝Ｃ／nL｛１−２／πSin-1〔
１−（１−Kr）2／4Kr〕1/2｝(15) Krが１に近い値であるときには、ｗは次のよ
うに近似することができる： δf＝Ｃ／nL １−Kr／π√Kr (16) この近似は0.8より大きなKrに対してその誤差
は0.2％以内となつている。 第14式と第16式とを第13式に代入することによ
つて、空洞フイネスは次のようになる： Ｆ＝π√Kr／１−Kr (17) 共鳴結合定数Krは結合器伝送およびフアイバ
伝送の積に等しく、このため（１−Kr）はルー
プ１４のまわりでの前部分損失に等しくなるとい
うことが、第８式から思い出されよう。第17式か
ら、これらの部分損失が減少するに従つてこのフ
イネスが増大するということがわかるであろう。
したがつて、このフイネスは損失に強く依存し、
そして結合器挿入損失またはフアイバ伝送損失の
うちのいずれかまたはその両方が減少することに
よつて、増大することになろう。ここに示した実
施例においては、このフイネスは約80であり、ル
ープ１４の長さが10メートルに対する自由スペク
トルレンジは約20.6MHzである。 最後に、第５図に戻つてこれを参照すると、空
洞成長時間Tcは次のように近似することができ
る： Tc＝nL／ｃ／２（１−Kr） (18) 共鳴効果を発生するためには、レーザ光源２０
にはｃ×Tcよりも大きなコヒーレンス長をもつ
ていなければならない。 第８図を参照すると、第９式および第10式によ
つて予想される共鳴効果が、フアイバ部分１６の
端部において出力波W0の光学的パワー（強度）
を測定する検出器８０を与えることによつて観測
することができる。検出器８０はライン８２の上
に電気信号を出力し、この出力は出力波Woの光
学的強度に比例するものである。このライン８２
はオシロスコープ８４に接続されてこの信号を入
力させる。三角波発生器８６からの信号がライン
８８上でこのオシロスコープ８４に与えられ、ま
たライン９２の上で位相変調器９０に与えられ
る。特別の例として、この位相変調器は３インチ
の直径をもつたPZTシリンダを備えており、こ
のまわりにフアイバループ１４の部分が26回だけ
巻回されている。三角波発生器８６からの信号は
PZTシリンダ９０を駆動してこれを放射方向に
広げ、そのため、フアイバ１４は直線的に伸長し
て、発生器８６の周波数でフアイバの長さＬを周
期的に変化させることになる。この配置では、こ
のフアイバ共鳴器の振舞いは、走査フアブリーペ
ロー干渉計の振舞いに幾分似たものとなつてい
る。 第９図は、光学的出力パワーPoを表わす検出
器電流９６と、位相変調器９０によつて伸長され
たフアイバの伸長量を表わす三角波発生器信号９
８とのオシロスコープの軌跡を示す図である。信
号９８によつて与えられるフアイバの伸びの量は
波長よりも若干大きくなつており、このため第９
図に示す出力パワーはフアイバの直線的な伸長の
それぞれの間において２度ほど０まで落ちる。結
合定数を共鳴結合定数Krから少し変化させると、
曲線９６の最小値において０ではない出力パワー
が観測される。 フアイバループ１４の中で光の偏光状態を維持
すること、たとえば偏光コントローラ４０を用い
ること、の重要性は、第１０図に示されており、
この図では偏光コントローラ４０の４分の１波長
ループを最適位置から遠くに回転して移動させた
場合について示している。この中で示されている
ように、２つの独立の偏光モードに対応する２つ
の共鳴モードが観測されている。この２つのモー
ドは伝播速度が少し異なつているために異なつた
走査位置において共鳴している。この共鳴モード
のそれぞれは０ではない出力パワーをもつている
が、これは、１つのモードが共鳴しており他のモ
ードは共鳴していない場合には、共鳴していない
モードの出力パワーがどちらかのモードの共鳴点
において観測されるからである。 ブリユアンリングレーザとしての動作 上に述べた共鳴器は、ループの長さＬおよび結
合定数Krを完全な共鳴状態に調節し、光源２２
のパワーをしきい値レベル以上になるように増大
させることにより、ブリユアンリングレーザとし
て作動する。このような場合にしては、光源２２
はフアイバループ１４の中の誘導ブリユアン振動
のためのポンプとして機能する。したがつて、入
力光波Wiおよび回転光Wcを、以下、“ポンプ光”
と呼ぶことにする。 ループ１４によつて形成された共鳴空洞を通つ
て回転しているポンプパワーPcがしいき値レベ
ルにまで達すると、このポンプ光によつてグラス
フアイバ分子が予め定められている音響周波数に
おいて振動する。この音響周波数はフアイバ材料
およびポンプ光の波長の関数である。石英フアイ
バと632.8nｍの波長をもつポンプを用いると、こ
の音響周波数は約27.6ギガHzとなる。 この音響波はフアイバの中をポンプ光と同じ方
向に伝播する。既にこの音響波が存在する場合に
は、回転ポンプ光はこの音響波と相互作用してブ
リユアン散乱を発生させる。このブリユアン散乱
プロセスは、音響波がポンプ光に対する回折格子
として機能するという点において、フラツグ散乱
と幾分似たものとなつている。音響波から後方散
乱された光は干渉して強め合い、ブリユアン波を
発生させるが、これはポンプ光に対して反対方向
に伝播する。この音響波はポンプ光と同じ方向に
動いているため、後方散乱光すなわちブリユアン
波はドツプラーシフトを受けることになり、この
ためその周波数はポンプ光の周波数よりも小さく
なる。ポンプ光の周波数がfpであつて、音響波の
周波数がfaであるとすると、このブリユアンの周
波数fbは次のようになる： fb＝fp−fa （19） 効果において、このポンプ光はブリユアン光波
に変換され、このブリユアン光波はその音響波の
周波数に等しい量だけポンプ波に対して低い方向
にシフトした周波数をもつている。ブリユアン散
乱についての上述の説明は非常に簡単なものであ
り、より完全な説明は刊行物たとえばJohn
Wiley and Sonsから1975年に発行されたAmnon
Yarivの“量子エレクトロニクス”第２版、第
490頁−第498頁に記載されていることがわかるで
あろう。 ブリユアン波が共鳴空洞を通つて回転すると
き、そのパワーの一部分がそれぞれの回転の間
に、フアイバ伝送損失および結合器挿入損失によ
つて失われることになる。上に述べた損失に加え
て、フアイバループ１４の中でブリユアンパワー
の微小な一部分（すなわち、１−Kr）がこのフ
アイバループから外に出てポート１において失わ
れる。それは、結合定数krが1.0よりも小さいか
らである。この損失は結合器挿入損失およびフア
イバ伝送損失とともにまとめて“組合わされた損
失”と呼ぶことにする。この損失は閉じたループ
１４のまわりで１回転するごとにブリユアン波に
おいて失われる全部損失である。 “ブリユアン伝送”という用語は、フアイバ空
洞を通つて１周する（すなわち、１回完全に回転
する）間に伝送されるブリユアンパワーの部分を
示すために用いられる。したがつて： ブリユアン伝送＝１−組合わされた損失 (20) となる。維持されたブリユアン振動が発生するた
めには、レーザの利得は少なくとも組合わされた
損失と同程度でなければならない。このため、維
持されたブリユアン振動に対するしきい値条件は
次のようになる： ブリユアン伝送×ブリユアン利得＝１ （21） 長さＬのフアイバに沿つた誘導ブリユアン散乱
利得は次のようになる： ブリユアン利得＝exp（gPcLeff／Ａ） （22） 但し、ｇはフアイバのブリユアン利得係数であ
り、Pcは回転ポンプパワーでありＡはフアイバ
の有効コア面積であり、そしてLeffは有効利得長
（すなわち、吸収係数α0のフアイバと同じブリユ
アン利得を生じさせる、無損失フアイバの長さ）
である。 Leffは次のように表わすことができる： Leff＝〔１−exp（−2α0L）〕／2α0 （23） ブリユアン波（利得０と仮定する）の周回伝送
はフアイバ伝送すなわちexp（−2α0L）と、ポー
ト３からポート２への実質結合器伝送すなわち
（１−γ0）Krとの積である。したがつて、誘導ブ
リユアン波周回伝送は次のようになる： ブリユアン伝送＝Kr（１−γ0）e
xp（−2α0L）（24） ここで、次の関係式を思い出そう： Kr＝（１−γ0）exp（−2α0L） （25） したがつて、第25式を第24式に代入すると次の
ようになる： ブリユアン伝送＝〔（１−γ0）exp
（−2α0L）〕2（26） 最後に、第22式と第26式とを第21式に代入する
と次のようになる： 〔（１−γ0）exp（−2α0L）〕2exp（g
PcLeff／Ａ）＝１（27） 結合器挿入損失が比較的小さい（たとえば、
0.2より小さい）場合には、量（１−γ0）はexp
（−γ0）と近似することができる。さらに、フア
イバループ１４の長さＬが比較的小さい（たとえ
ば、100メートルよりも小さい）場合には、量
（１−2α0L）はexp（−2α0L）と近似することが
でき、したがつて、LeffはＬと近似できる。この
ような近似を用いるこによつて、第27式はしきい
値回転ポンプパワーPcについて解くことができ、 Pc、しきい値＝2A／gL（γ0＋2α0L） （28） 入力ポンプパワーP1に対する回転ポンプパワ
ーPcの比は次のように定義されることを思い起
こそう： Po／Pi＝１−γ0／１−Kr （29） 第29式を第28式に状入すると、しきい値入力ポ
ンプパワーPiは次のようになる： Pi、しきい値
＝2A／gL （γ0＋2α0L）2／（１−γ0） （30） したがつて、ブリユアン振動を維持するために
は、理論的なしきい値ポンプパワーは第30式で定
義される値と同じかこれよりも大きくなければな
らない。実際問題としては、現実のしきい値ポン
プパワーはこの理論的なしきい値ポンプパワーよ
りも約2.6倍だけ大きくなつていることが知られ
ている。この隔たりは、互いに反対方向に伝播
し、適合していない偏光状態をもつたポンプおよ
びブリユアン偏移波を生じさせるフアイバ複屈折
によるものであると考えられる。したがつて、フ
アイバ１０（第１図）として低損失偏光維持フア
イバを用いることによつて理論的な値により近い
実験的な結果をもたらすことになる。 第30式をＬについて最小化することにより、最
小入力しきい値ポンプパワーを与える最適フアイ
バ長（Lopt）は次のようになる： Lopt＝γ0／2α0 （31） したがつて、最小入力しきい値ポンプパワーを
得るためには、１回転あたりのフアイバ伝送損失
（2α0L）は１回転あたりの結合器挿入損失γ0に等
しくなるように、フアイバループ長Ｌを選ばなけ
ればならない。ここに示す実施例においては、最
適フアイバ長Ｌは10メートルのオーダとなつてい
る。 この発明のブリユアンリグレーザは特に、たと
えば慣性航法への用途などの回転センサとしての
使用に適したものとなつている。第１２図を参照
して行なう以下の詳細な議論にあるように、結合
器２０のポート１およびポート４の双方にポンプ
パワーを入れて、ループ１４の中に互いに反対方
向に伝播するブリユアン波を発生させる。このル
ープをその平面に垂直な軸のまわりに回転させる
ことによつて、ブリユアン波のうちの１つは周波
数が高い方に偏移し、他方は低い方に偏移する。
これによつてこれらの間の周波数差Δfが生ずる。
回転速度Ωはこの周波数差の関数である： Ω＝ΔfＣ／2nrf （32） 但し：Δfは周波数差であり：ｃは光の自由空
間における速度であり：ｒはこのフアイバループ
１４の半径であり：そして、ｆはブリユアン波の
周波数である。 ブリユアン波の周波数偏移が生ずる理由は、第
１１Ａ図および第１１Ｂ図を参照することによつ
てより完全に理解できよう。第１１Ａ図は、石英
フアイバの典型的な放出ラインにおける、周波数
の関数としてのブリユアン利得曲線１００を示し
ている。この中に示されており、また応用物理レ
ターズ（Applied Physics Letters）第34巻、第
139頁（1979）の“単一モード光フアイバのブリ
ユアンスペクトル”において詳細に議論されてい
るように、石英フアイバに対するブリユアン利得
ライン幅は約100MHzである。第１１Ｂ図は、第
１１Ａ図に対応する周波数における、周波数の関
数としての正規化ブリユアン回転パワーをプロツ
トしたもの（すなわち、ループの共鳴周波数１０
２をプロツトしたもの）である。第１１Ａ図のブ
リユアン利得ライン幅の中に、潜在的に連続的な
周波数が存在している。しかしながら、誘導ブリ
ユアン放射はループ１４の共鳴周波数１０２ａ−
ｅにおいてのみ発生するものと考えられる。それ
は、このような周波数においてのみループの中を
回転するからである。共鳴空洞ループ１４の自由
スペクトルレンジFSRはブリユアン利得曲線ラ
イン幅（たとえば100MHz）よりも実質的に小さ
く（たとえば20.6MHz）となつているため、この
ライン幅の中に複数の共鳴周波数１０２ａ−ｅが
存在する。しがつて、このブリユアン利得ライン
幅の中のループ共鳴周波数１０２ａ−ｅのうちの
１つにおいて、ループでのブリユアン光の確立が
起こる。さらに、ループのこれらの共鳴周波数１
０２ａ−ｅの中で、最も高いブリユアン利得をも
つた周波数１０２ｃのみが存在し、このブリユア
ンレーザは単色タイプのレーザとなるであろう。
したがつて、ループ１４が静止しているときに
は、ブリユアン波の双方はブリユアン利得曲線の
ピークに最も近い場所における空洞共鳴点ｃ（共
鳴周波数１０２ｃに対応）の周波数をもつことに
なる。 ループ１４が回転すると、互いに反対方向に伝
播するブリユアン波はそれぞれ異なつた光学的経
路長をもつようになる。これは、サグナツク
（Sagnac）効果によるものであつて、この波のう
ちの一方の経路長は増大し、他方の経路長は減少
する。経路長がこのように変化することによつ
て、それぞれの波の空洞共鳴周波数１０２ａ−ｅ
が偏移する。経路長が増大した方向に伝播する波
については、第１１Ｂ図の破線（誇張してある）
で示すように、共鳴周波数がΔf／２だけ低い方
に偏移している。経路長が減少した方向に伝播す
る波については、その共鳴周波数はこれと同じ量
だけ高い方に偏移している。したがつて、これら
の偏移した共鳴周波数において新たにブリユアン
波のペアが発生することになり、以前の共鳴周波
数におけるブリユアン波は、この空洞の中でもは
や共鳴を起こさないため、ともに減衰する。たと
えば、低い方に偏移した波は、第１１Ｂ図の破線
で示されている偏移した共鳴周波数１０２c′に対
応して、第１１Ａ図の空洞共鳴点c′において発生
する。その結果、ループ１４が回転している間、
このブリユアン波はそれぞれ異なつた周波数をも
つことになりそのうちの１つはループが静止して
いるときの周波数よりも高い方に偏移し、他方は
低い方に偏移する。上述したプロセスは瞬時に発
生するため、ブリユアン波の周波数は回転に対し
て大変よく応答するということは、ここで強調し
ておくべきことであろう。ループの回転によつて
発生する共鳴周波数の偏移は小さいため、レーザ
光源２２からのポンピング照射の非共鳴を起こさ
ないということを注意しなければならない。 したがつて、この周波数差Δfを検出すること
によつて、回転速度を確かめることができる。こ
れはループ１４から外に出た互いに反対方向に伝
播するブリユアン波の微小な一部分を結合し、こ
れらの波を組合わせてそれらが干渉することによ
つて出力波を与えるようにすることによつて達成
されるということがわかるであろう。このブリユ
アン出力波は、うなり周数数において強度が正弦
波状に変化するものである。周波数差Δfはこの
ブリユアン出力波のうなり周波数に等しく、この
ため、出力波のうなり周波数を検出することによ
つて、回転速度を指示させることができる。 ここで第１３図を参照すると、ポート１，４に
それぞれつながるフアイバ部分１２，１６はフア
イバ光学エバセントフイールド方向性結合器１１
４を通つている。この結合器１１４は結合器２０
と同一のものであるが、その結合定数が0.5にセ
ツトされてフアイバ１２，１６のうちの１つを通
つて伝播する波の50％が、フアイバ１２，１６の
うちの他方へと結合するようになつている点が異
なつている。レーザ光源２２は光学的に結合して
光フアイバ部分１２へと入れるようになつてお
り、一方、検出器１１８は光学的に結合してフア
イバ部分１６の端部からの光を受取るようになつ
ている。したがつて、第１１図の回転センサは連
続的な、継ぎ目のない、レーザ光源２２および検
出器１１８の間の光フアイバのストランド１０を
利用していることになる。 レーザ光源２２はポンプ光を与え、このポンプ
光はフアイバ１２へと入れられる。このポンプ光
が結合器１１４を通つて伝播する間に、これは２
等分され、そのポプンパワーのうちの半分は光が
結合器２０に到着したときフアイバ部分１２の中
にあり、一方、ポンプパワーの他の半分は、光が
結合器２０に到着したときフアイバ部分１６の中
にある。好ましくは、結合器２０，１１４の間に
延びているフアイバ部分１２，１６はその長さが
等しくされる。結合器２０において、ポンプ光は
ポート１からポート３への道筋およびポート４か
らポート２への道筋によつてフアイバループ１４
へと導き入れられる。そして、２つの互いに反対
方向に伝播するポンプ光波WP1およびWP2を与
える。ループ１４は共鳴空洞を形成しているた
め、このポンプ光波WP1およびWP2は前に述べ
た第９式によつて与えられる最大回転パワーに至
るまで成長する。第30式を参照して議論したよう
に、この回転ポンプパワーがブリユアン振動に対
するしきい値レベルよりも大きくなつているとき
には、波WP1，WP2のそれぞれのポンプエネル
ギの一部分が互いに反対方向に伝播するブリユア
ン波WB1およびWB2へと返還される。このため、
波WB1は波WP1の方向とは逆の方向に伝播し、
波WB2は波WP2の伝播する方向とは逆方向に伝
播する。 完全な共鳴が起こると、ポート２およびポート
３における回転ポンプ光はポート１およびポート
４における入射ポート光と干渉して、実質的にす
べてのポンプ光がループ１４の中に残り、そして
ポート１およびポート４におけるポンプ光出力は
０となることを追い起こそう。これとは対照的
に、誘導ブリユアン波WB1およびWB2は入力ポ
ンプ光とは有意の干渉を生じない（それは入射ポ
ンプ光とは実質的に異なつた周波数をもつている
からである）。このため、（１−Kr）に等しい、
ブリユアン光の微小な一部分が、結合器１００を
低下するときこれから外へ出る。たとえば、ブリ
ユアン波WB1の一部分がポート２およびポート
４の間を通つてフアイバ部分１６の中を伝播し、
一方、波WB2の一部分がポート３からポート１
へと通つてフアイバ部分１２の中を伝播する。こ
れらの波WB1，WB2は結合器１１４によつて結
合され、ブリユアン出力波WB0となつて検出器
１１８の方向へ伝播する。 検出器１１８はライン１１９の上に電流Idetを
出力するが、この電流はそれに加えられた光の強
度に比例したものである。したがつて、この検出
器電流Idetはブリユアン出力波WB0の強度IBに比
例したものとなる。ここで検出されたブリユアン
出力波の強度は次のように表わすことができる： IB＝IB1＋IB2＋２√B1 B2cos2π（
fB1−fB2）ｔ（33） 但し、IB1はブリユアン波WB1の強度であり、
IB2は波WB2の強度であり、fB1は波WB1の周波数
であり、fB2は波WB2の周波数であり、そして、
（fB1−fB2）は出力波WB0のうなり周波数である。 回転速度が０である場合（すなわち、Ωが０）
には、２つのブリユアン波の周波数は同一であ
り、このための第33式の干渉項（すなわち、余弦
項）は１であつて、そして、ブリユアン波強度IB
は定常状態の値となつている。しかしながら、ル
ープ１４が矢印１２２によつて示されているよう
に、たとえば反時計まわりの方向に回転すると、
ブリユアン波WB1はサグナツク効果によつて、
ループ１２０のまわりでブリユアン波WB2より
も長い光路をもつことになる。光路の長さがこの
ように変わることによつて、誘導ブリユアン振動
に対する共鳴周波数はループのそれぞれの伝播方
向において変化することになる。このため、波
WB1は低い方に偏移した周波数で共鳴を生じ、
また、波WB2は高い方に偏移した周波数で共鳴
を生ずることになつて、これによつて、これらの
間の周波数差が生ずる。これらの波が組合わされ
て出力ブリユアン波WB0となると、このような
周波数差によつてブリユアン強度は、第33式から
わかるように、この周波数差（すなわち、うなり
周波数）の余弦の関数として周期的に変化する。
ライン１１９に接続されてこのラインの上の信号
を受取る検出電子回路１２６は、ブリユアン強度
におけるこれらの周期的変化の周波数を検出する
ためのものである。これは、たとえば、０クロス
を検出して、これに対応して信号Irotを出力し、
このループの回転速度を指示する。要するに、こ
の電子回路１２６は干渉しているブリユアン波の
うなり周波数を通過させ、一方、この検出器電流
の低周波ドリフトおよび定常状態成分をブロツク
する。このような検出システムは従来の技術にお
いてよく知られており、1MHzから100MHzまたは
それ以上の周波数を検出することが可能である。 サグナツク効果によつて、ループが回転すると
ポンプ光波は小さなサグナツクの位相のずれを受
けることになる。しかしながら、都合の良いこと
に、ループ１２０の長さはサグナツク干渉計の長
さ（たとえば数千メートル）に比べて比較的短い
（たとえば10メートル）ために、ポンプ光のサグ
ナツク位相偏移は極めて小さく、ポンプ光の共鳴
または検出器の電流に対してほとんど影響を及ぼ
なさい。 また、検出器１１８に到達したポンプ光とブリ
ユアン光との間のどのような干渉もブリユアン波
うなり周波数の検出に影響を及ぼさないというこ
とも注意すべきである。それは、このポンプ光と
ブリユアン光との間のうなりは、ここに示した実
施例においては、約30GHzであつて、この検出器
によつて検出するには周波数が高すぎるからであ
る。 ここに示した実施例においては、検出器出力ラ
イン１１９を安定化電子回路１３２へと接続する
ライン１３０および、安定化電子回路１３２をル
ープ１４の中のPZTシリンダ１３６へと接続す
るライン１３４を備えるフイードバツクループを
与えて、ループ１４の長さを安定させてポンプ周
波数における完全な共鳴を得ようとしている。特
定の例によれば、このPZTシリンダ１３６は約
３インチの直径をもつことが可能であり、また、
フアイバ１４はこのまわりに26回巻かれていても
よい。このシリンダ１３６はライン１３４の上の
電圧に上の応答してフアイバ１４を伸長させ、フ
アイバループ１４の長さを動的に変化させる。 たとえば、温度のゆらぎによつてループの長さ
Ｌが共鳴に要求される長さから変化すると、ポン
プパワーの一部分がブリユアン波を通してこのル
ープと結合され、それによつて検出器の電流Idet
を増大させる。要するに、この安定化電子回路１
３２は検出器電流Idetの低周波ドリフト成分を通
過させ、一方ブリユアン波WB1およびWB2の干
渉によつて生ずるより高い周波数の成分をブロツ
クする、低域通過フイルタを与えることになる。
この電子回路１３２はライン１３４の上に検出器
電流の増大に応答した信号を与えて、共鳴を再び
与えるために必要とされる量だけPZTシリンダ
１３６を駆動する。このようなタイプの安定化シ
ステムは光重量技術雑誌（JOURNAL OF
LIGHT WAVE TECHNOLOGY）第LT−１
巻、1983年３月、第110頁−第115頁の“すべての
単一モードを感知するフアイバ共鳴リング干渉
計”という名称の記事に開示されている。
に、サブミリワツト級のポンプしきい値パワーを
もつた全フアイバブリユアンリングレーザに関す
る。 現在、商業的に入手可能なリングレーザは、典
型的には３個以上の鏡を備えておりこれらの鏡は
ヘリウム−ネオンガスのような媒質中に配置さ
れ、リング状をした空洞を形成して、互いに反対
方向に伝播する波をその中で導いていくように方
向決めされている。このリング状の空洞が回転す
ると、互いに反対方向に伝播する波に、この回転
速度に比例した周波数偏移が生ずる。互いに反対
方向に伝播する波の間の周波数の差を測定するこ
とによつて、このリングレーザは回転数を指示す
ることになり、このため、高精度の回転センサた
とえば慣性航法のための回転センサとして用いる
ことができる。これらのリングレーザにおいて共
通的な１つの問題としては、互いに反対方向に伝
播する波が、周波数がロツクされた状態になりや
すく、そして回転に対して感度をもたなくなると
いうことがある。このような周波数のロツキング
はこのレーザ連続的に振動（機械的に振動）させ
ることによつて防止可能ではあるが、機械的に振
動させる装置が必要であるということから、この
リングレーザの基本的な目的である、可動部を持
たない、正確で精度の高い回転センサという性質
が失われてしまう。この周波数のロツキングとい
う問題は、このレーザの利得が双方向性であると
いうこと、すなわち、互いに反対方向に伝播する
波をHe原子とNe原子の同じ集合体を用いて誘導
放出しているという事実から生ずる。このため、
この周波数のロツキングは、利得を非双方向性と
したレーザを用いることによつて除去され得るも
のと考えられている。このような非双方向性の利
得をもつているレーザの１つのタイプとしてブリ
ユアン（Brillouin）フアイバリングレーザがあ
り、このレーザは誘導ブリユアン放出のためのエ
ネルギは、このブリユアン波に対して反対方向に
伝播するポンプ光波によつて与えられる。 従来のブリユアンフアイバレーザは、典型的に
は損失をもつた混成装置であつて、共鳴レーザ空
洞を、フアイバ光学コンポーネントおよびバルク
光学コンポーネントの双方から形成させている。
たとえば、長い単一モードフアイバに対して、レ
ンズ、鏡そしてビームスプリツタを結合している
のが通例である。これらのコンポーネントの配列
を維持することは困難であつて、特に、それらが
衝撃や振動にさらされているるときにはこの傾向
が強い。さらに、このレーザの共鳴空洞の中で回
転している波の周回損失は非常に大きく、たとえ
ば70％のオーダにも及ぶ。このため、ブリユアン
利得を得るためには、たとえば100ｍＷのオーダ
という、高いしきい値ポンプパワーが必要とな
る。従来の技術において最も注意深く形成したブ
リユアンフアイバレーザにおいても、10ｍＷより
も大きなしきい値パワーが必要とされるものと考
えられている。 このため、従来のブリユアンレーザは、ポンプ
を行なうために、たとえばアルゴンガスレーザの
ような、高パワーの単一周波数レーザを利用する
のが通例である。しかしながら、このようなレー
ザは特殊な安定化技術を用いなければ周波数ドリ
フトに関してその安定性が本質的に低いものとな
つている。その上、このようなレーザのコヒーレ
ント長は相対的に短く、このため、単一周波数の
純度は相対的に低い。 したがつて、周回空洞損失が低く、それによつ
て、ヘリウム−ネオンレーザのような安定性が高
く、パワーも低く、コヒーレント長も長い単一周
波数レーザをポンプとして用いることのできる、
改良されたブリユアンを開発する要求が従来の技
術において存在していた。 発明の概要 本発明によるブリユアンリングレーザは、第１
と第２の端部と、この両端部の間に形成されたル
ープ部分を持つた、或る長さの光フアイバを備え
ている。このループ部分はフアイバ光学結合器に
よつて光学的に閉じられており、このループ部分
の長さは、この結合器と協働して共鳴空洞を形成
するように選ばれる。光源によつて第１の端部に
ポンプ光を送り込み、これによつてこのループ部
分の中を通してポンプ光波を伝播させる。このポ
ンプ光波は共鳴空洞の中を回転してその強度を増
す。そして第１の端部に入つたポンプ光の強度よ
りも大きなレベルであつて、かつ、このフアイバ
ループ部分の中でブリユアン散乱を誘起させるこ
とによつて、ポンプ光波に比べて周波数が偏移し
た、フアイバループ部分の中をポンプ光波とは反
対の方向に回転するブリユアン波を生じさせるに
十分なレベルまでに達する。 好ましい実施例においては、この回転するポン
プ光波は後に示す第28式によつて特定される強度
よりも大きな強度をもつており、そして、第１の
端部におけるポンプ光波は、後に示す第30式によ
つて特定される強度よりも大きな強度をもつてい
る。このような好ましい実施例におけるポンプ光
強度は10ミリワツトよりも小さくなつている。そ
れに加えて、好ましくは、フアイバ伝送損失が結
合器の挿入による損失と等しくなるように、この
ループの長さが選ばれる。 １つの実施例においては、このブリユアンリン
グレーザは回転センサとしての形式をとつてお
り、このようなリングレーザは、第２の端部から
の光を検出する検出器をさらに備えている。この
実施例では、光源はさらに第２のポンプ光波を第
２の端部に入れるため、ループのまわりを互いに
反対方向に伝播する２つのポンプ光波が存在する
ことになる。これらのポンプ光波の双方は、この
ループの共鳴周波数をその周波数としてもつてお
り、また、ループの中で誘起されたブリユアン散
乱を発生させて、それぞれ対応するポンプ波に対
し反対の方向に伝播する、２つの互いに反対方向
に伝播するブリユアンを生じさせるに十分な強度
をもつている。このブリユアン波はポンプ光波の
周波数においてループの中で共鳴するが、このブ
リユアンの共鳴を起こす周波数はループ部分の回
転に応答して変化する。そしてこの変化によつて
ブリユアン波の周波数の差が生じ、この周波数の
差はループ部分の回転速度を指示する量となつて
いる。この２つのブリユアン波のそれぞれの一部
分はループから取出されて結合され、このブリユ
アン波の間の周波数の差に等しいうなり周波数を
もつた出力を形成することになる。このブリユア
ン出力波は第２の端部によつて結合器へと導か
れ、そしてこの検出器がうなり周波数を検出す
る。 この発明はまた、光フアイバの中に誘導ブリユ
アン振動を与える方法をも含んでいる。この方法
は、フアイバの中にループ形成するステツプと、
フアイバ光学方向性結合器によつてこのループを
光学的に閉じるステツプとを含んでいる。そし
て、このループを、ブリユアン散乱を生じさせる
に十分な強度と、ループの共鳴周波数に等しい周
波数とをもつた光によつてポンプする。好ましく
は、ループの長さは、フアイバの伝送損失が結合
器の挿入による損失に等しくなるように選ばれ
る、この方法は回転センシングに用いてもよく、
その場合は、ポンピングのステツプはさらに、フ
アイバに第１と第２の入力光ポンプ波を導き入れ
てループのまわりに互いに反対方向に伝播させる
ことを含む。この２つのポンプ光波はループの共
鳴周波数に等しい周波数と、ブリユアン散乱をル
ープの中において誘起させて、第１と第２のポン
プ光波に対してそれぞれ反対方向に伝播するとと
もにループの中で共鳴する第１と第２のブリユア
ン波を生じさせるに十分な強度とをもつている。
この方法を回転センシングに用いる場合には、ル
ープを回転させることによつてブリユアン波の間
の周波数の差を与えることと、第１と第２ブリユ
アン波の一部分をループから取出して結合し、そ
れらを組合わせて出力波を形成させることもまた
この方法の中に含まれる。そしてブリユアン波の
間の周波数の差に等しいシート周波数をもつたブ
リユアン出力波が検出される。 したがつて、この発明のブリユアンリングレー
ザは、その全体が光学フアイバの中に含まれる共
鳴レーザ空洞を与える。特に、この空洞はフアイ
バ光学方向性結合器を用いることによつて、継ぎ
目のない、閉じた光学フアイバのループを備える
ものである。この結合器は好ましくは調整可能な
エバネセントフイールド（evanescent field）結
合器であつて、このエバネセントフイールド結合
器の挿入による損失が非常に小さく（たとえば５
％以下）、フアイバの中を通つて回転する波の周
回損失も極めて低くなるような結合器である。こ
のため、好ましい実施例においては、ブリユアン
レーザ作用は10ミリワツトより小さいポンプパワ
ーにおいて達成される。これによつて、従来技術
では得ることのできない、しきい値パワーも低い
ブリユアンレーザの全く新しい種類を与えること
ができる。好ましい実施例においては、わずか
0.43ミリワツトのポンプパワーにおいて、誘導ブ
リユアン振動が観測されている。 ブリユアンレーザにおいて必要とされるしきい
値ポンプパワーは、フアイバループの長さを適当
に定めることによつてさらに減少させることが可
能であることが判明している。特に、フアイバル
ープの長さは、フアイバ伝送損失（たとえば、フ
アイバによる光の吸収に起因するもの）が結合器
の挿入による損失と等しくなるように、正しく選
ぶ必要がある。 好ましい実施例の詳細な説明 この発明のブリユアンレーザは、フアイバ光学
共鳴器を利用する。第１図に示されているよう
に、この共鳴器は、単一モード光フアイバの連続
的な、集団のないストランド１０を備えており、
このストランドは入力端部１２、ループ部分１
４、および出力端部１６をもつている。ループ部
分１４の両端において、フアイバ１２がこれと光
学的に結合しており、この結合は一方の側にポー
ト１および２を、他方の側にポート３および４を
持つた、フアイバ光学エバネセントフイールド４
ポート方向性結合器２０によつて行なわれる。フ
アイバ１２の一端から他端へとたどつて行くと、
フアイバ１０は最初にポート１および３を、そし
てポート２および４を通過する。これによつてル
ープ１４がポート３および２から延び、一方、入
力部分１２はポート１から延び、そして出力部分
１６はポート４から延びていることになる。 入力フアイバ部分１２に光を入れて、ループ部
分１４を通して回転させるために、レーザ光源２
２を用いている。この光源２２はTropel.model
200He−Neガスレーザのような、単一周波数の、
コヒーレンス長の長い、連続波レーザ２４を備え
ている。このレーザは632.8nｍの波長と、１キロ
メートルを十分越えるコヒーレンス長とをもつた
単一周波数光を発生する。 レーザ２４からの光を集光してフアイバ部分１
２の中に入れるために、レンズ２６を用いること
ができる。これに加えて、レーザ２４とレンズ２
６との間に、偏光子３０および４分の１波長板３
２を備えた光学的アイソレータ２８を挿入し、レ
ンズ２６およびフアイバ部分１２から反射した光
がレーザ２４に入つて、その動作を妨害するのを
防止してもよい。 実施例において示した共鳴器においては、フア
イバ１０はITT単一モードフアイバを備えてお
り、このITT単一モードフアイバはコア直径４
ミクロン、有効コア面積1.6×10-7cm2、有効反射
率1.46、および吸収8.3db／Kmをもつたものであ
る。ループ１４はループ１４の中でのフアイバ複
屈折を補償するための偏光コントローラ４０を含
んでおり、それによつて、結合器２０のポート２
における回転する光は実質的にポート１における
レーザ光源２２からの光と同じ偏光を持つことに
なる。 偏光コントローラ４０および結合器２０は、バ
ルク光学コンポーネントと区別される、フアイバ
光学的のものである。 結合器２０ 共鳴器において、結合器として用いることので
きる好ましいフアイバ光学方向性結合器は、1980
年３月29日に発行されたエレクトロニクスレター
ズ（Electronics Letters）第16巻、第７号、第
260頁から第271頁において記載されている。 第２図に示されているように、この結合器は、
単一モードフアイバ光学材料の２つの典型的なス
トランド５０Ａおよび５０Ｂを含んでおり、これ
らはそれぞれ溝５２Ａおよび５２Ｂの中に縦に取
付けられている。この溝５２Ａおよび５２Ｂは、
それぞれ、矩形のベースすなわちブロツク５２Ａ
および５３Ｂの光学的に平坦な相対する表面に形
成されている。溝５２Ａの中にストランド５０Ａ
が取付けられたブロツク５３Ａを結合器の片側５
１Ａと呼び、溝５２Ｂの中にストランド５０Ｂが
取付けられたブロツク５３Ｂを係合器の片側５１
Ｂと呼ぶことにする。 アーチ状の溝５２Ａおよび５２Ｂは、フアイバ
５０の直径に比べて非常に大きな曲率半径をも
ち、またフアイバの直径よりも少し大きな幅をも
つことによつて、フアイバ５０をその中に取付け
たときに、溝５２の底壁によつて定められる経路
に固定されるようになつている。溝５２Ａおよび
５２Ｂの深さは、ブロツク５３Ａおよび５３Ｂの
中心部分における最小値から、ブロツク５３Ａお
よび５３Ｂのエツジにおける最大値まで、それぞ
れ変化している。これは、フアイバ光学ストラン
ド５０Ａおよび５０Ｂをそれぞれ溝５２Ａおよび
５２Ｂの中に取付けたとき、これらが中心部分に
向かつて緩やかに集まり、ブロツク５３Ａ，５３
Ｂのエツジに向かつて緩やかに広がることによつ
て、モードの摂動を通して損失を発生することが
ある、フアイバ５０の方向におけるどのような鋭
い湾曲や急激な変化をも防止することができると
いう利点をもつている。溝５２は断面が矩形とな
つているが、この代わりに、たとえばＵ形の断面
やＶ形の断面といつた、フアイバ５０にとつて都
合の良い、他の適当な断面の輪郭を持つていても
よいことが理解されよう。 ここに示されている実施例においては、ブロツ
ク５３の中心部分において、ストランド５０を取
付ける溝５２の深さはスランド５０の直径よりも
小さくなつており、一方、ブロツク５３のエツジ
において溝５２の深さは好ましくは少なくともス
トランド５０の直径と同じ程度となつている。ス
トランド５０Ａおよび５０Ｂからは、たとえばラ
ツピングによつて、フアイバ光学材料が取り除か
れており、これによつてそれぞれが楕円形の平坦
な表面を持つが、この平坦な表面はブロツク５３
Ａ，５３Ｂの相対する表面と同一平面上に存在す
ることになる。ここではこの、フアイバ光学材料
が取り除かれた楕円形の表面を、フアイバ“対向
表面（facing surfaces）”と呼ぶことにする。し
たがつてフアイバ光学材料を取り除く量は、ブロ
ツク５３のエツジの方向における０から緩やかに
増大し、ブロツク５３の中心部分の方向で最大値
となる。フアイバ光学材料を先細に取り除くこと
によつて、フアイバが緩やかに狭くなり、また、
広くなうことによつて、後方反射と光エネルギの
損失が過剰になることとを防止することができ
る。 ここに示した実施例においては、結合器の片側
５１Ａおよび５１Ｂは同一のものであつて、ブロ
ツク５３Ａおよび５３Ｂの表面が互いに相対する
ように設置し、ストランド５０Ａおよび５０Ｂの
対向表面が対向する関係をもつように並べること
によつて組立てられる。 屈折率整合オイルのような屈折率整合物質（図
示せず）を、ブロツク５３の相対する表面の間に
配置する、この物質は、クラツドの屈折率とぼぼ
等しい屈折率をもつているとともに、光学的に平
坦な表面が互いに永久的にロツクされてしまうこ
とを防止するという機能をも果たすものである。
このオイルは、毛細管作用によつてブロツク５３
の間に入れられる。 相互作用領域５４はストランド５０の接合部に
形成されるが、ここではエバセントフイールド結
合によつてストランドの間で光が伝送される。適
当なエバネセントフイールド結合を保証するため
には、ストランド５０のコア部分の間の距離が、
予め定められた“臨界ゾーン”の中に入つている
ように、フアイバ５０から取り除かれる材料の量
を注意して制御しなければならないということが
判明している。このエバセントフイールドはクラ
ツドの中に向かつて広がり、それらのそれぞれの
コアの外側では距離が大きくなるとともに急速に
減少する。このため、それぞれのコアが実質的に
他方のエバセントフイールドの中にあるようにす
るためには、十分な量の材料を取り除く必要があ
る。取り除く量が少なすぎる場合には、コアの間
の接近が十分でなく、エバセントフイールド結合
により、ガイドされたモードの間の所望の相互作
用が得られず、その結果、接合が不十分となる。
逆に、取り除く量が多すぎる場合にはフアイバの
伝播特性が変わつて、モード摂動に起因する光エ
ネルギの損失が起こる。しかしながら、ストラン
ド５０のコアの間の距離が臨界ゾーン内にあれ
ば、それぞれのストランドは、他のストランドか
らのエバセントフイールドエネルギの有意な一部
分を受取ることにより、エネルギ損失が問題とな
ることなしに良好な結合を達成することができ
る。この臨界ゾーンは、フアイバ間の結合が達成
されるような、すなわちそれぞれのコアが他のエ
バネセントフイードの中にあることになるような
十分な強さで重なる領域を含んでいる。しかしな
がら、前に示したように、コアの間があまりにも
接近しすぎると、モード摂動が発生してしまう。
たとえば、弱くガイドされたモードたとえば単一
モードフアイバの中にHE11モードに対しては、
このようなモード摂動は、フアイバ５０から十分
な物質が取り除かれてそれらのコアを露出したと
きに発生するものと考えられている。このため、
臨界ゾーンは、エバセントフイールドが十分な強
さで重なり合うが、実質的なモード摂動によつて
誘起されるパワー損失は生じないような結合を発
生させる領域として定義される。 特定の結合器に対する臨界ゾーンの範囲はフア
イバ自身のパラメータや結合器の幾何学的な形状
などのような、互いに関係をもつた多くのフアク
タに依存している。さらにステツプインデツクス
断面をもつ単一モードフアイバに対しては、この
臨界ゾーンは非常に狭いものとなることが可能で
ある。ここに示したタイプの単一モードフアイバ
結合器においては、結合器の中心部におけるスト
ランド５０の間の中心間距離は、典型的にはコア
の直径の数倍（たとえば２−３倍）よりも小さい
ものが要求される。 好ましくは、ストランド５０Ａおよび５０Ｂ
は、(1)互いに同一のものであり；(2)相互作用領域
５４において同じ曲率半径をもち、そして；(3)そ
れからは等量のフアイバ光学材料が取り除かれて
それぞれの対向表面を形成している。したがつ
て、フアイバ５０は、相互作用領域５４を通し
て、それらの対向表面で対称的なものとなつてお
りこのため、それらの対向表面は、重ねられたと
きに同一の広がりをもつている。これによつて２
つのフアイバ５０Ａおよび５０Ｂは相互作用領域
５４において同じ伝播特性をももつことになり、
それによつて、伝播特性が異なつている場合に生
ずる結合吸収を防止することができる。 ブロツクすなわちベース５３は、適当な剛性材
料であればどのようなものから作られていてもよ
い。ここでの好ましい実施例では、ベース５３
は、約１インチの長さ、約１インチの幅そして約
0.4インチの厚さをもつた、溶融石英ガラスの矩
形ブロツクを一般に備えている。この実施例で
は、フアイバ光学ストランド５０はエポキシ接着
剤のような適当な接合剤によつてスロツト５２の
中に固定されている。溶融石英ガラスブロツク５
３を用いることの利点のうちの１つは、それガラ
スフアイバと同様の熱膨張係数をもつていること
であり、この利点は、ブロツク５３とフアイバ５
０とが、製造プロセスの間において少しでも熱処
理を受ける場合には、特に重要なものである。ブ
ロツク５３として適当な他の材料はシリコンであ
り、これもまた、この応用のための優れた熱的性
質をもつている。 第２図の結合器は、Ａ，Ｂ，ＣおよびＤと符号
を付けた４つのポートを含んでおり、これらはポ
ート１，２，３および４とそれぞれ対応してい
る。第２図を全体的に見ると、それぞれストラン
ド５０Ａおよび５０Ｂに対応するポートＡおよび
Ｂはこの結合器の左側にあり、一方、ストランド
５０Ａおよび５０Ｂにそれぞれ対応するポートＣ
およびＤはこの結合器の右側にある。以下の議論
の便宜上、入力光はポートＡに与えられているも
のとする。この光はこの結合器を通つてポートＣ
および／またはポートＤから出力されるが、この
出力はストランド５０の間で結合されるパワー量
に依存している。これに関して、“結合定数”を、
全出力パワーに対する結合されたパワーの比とし
て定義する。上述した例では、この結合定数は、
ポートＣおよびＤにおけるパワー出力の和に対す
るポートＤの出力の比に等しくなるであろう。こ
の比はまた、“結合効率”とも呼ばれ、この用語
を用いる場合には通常パーセントで表現される。
したがつて、“結合定数”なる用語をここで用い
る場合には、これに対応する結合効率は、この結
合定数を100倍したものと等しくなるものと考え
なければならない。たとえば、結合定数が0.5で
あるということは、結合効率が50％であるという
ことと等価である。 この結合器は、ブロツク５３の対向表面のオフ
セツトを行なうことによつて、結合定数を“調
整”し、０から1.0までの間のどのような所望の
値にも“調節”することができる。このような調
整は、ブロツク５３を互いに水平方向に滑らせる
ことによつて行なうことができる。 この結合器は高い方向性をもつており、結合器
の１つの側に加えられたパワーのほとんどすべて
が結合器の他の側に伝えられる。すなわち、入力
ポートＡに加えられた光のほとんどすべてはポー
トＣおよびＤに伝えられ、ポートＢへの逆方向結
合は発生しない。同様に、ポートＢに加えられた
光のほとんどすべてはポートＣおよびポートＤへ
と伝えられる。さらに、この方向性は対称的であ
つて、ポートＣおよび入力ポートＤのうちのいず
れかに加えられた光のほとんどすべてはポートＡ
およびＢへと伝えられ。その上、この結合器は偏
光状態に対する区別をほとんど行なわないため、
光の偏光状態を保存する性質をもつ。したがつ
て、たとえば、垂直偏光の光ビームがポードＡに
入力した場合、ポートＡからポートＣへと直進し
た光と同様に、交差結合によつてポートＡからポ
ートＤへと進む光の垂直偏光を維持している。 １つのフアイバから他のフアイバへと交差結合
した光は、＋π/2の位相のずれを受けているが、
交差結合していない光はこの結合器を通つて伝播
する間に位相がずれることはない。このため、た
とえば光がポートＡに入力すると、ポートＤにお
ける交差結合を行なつた光はπ/2だけ位相が進
み、一方、ポートＣへと直進する光の位相は変化
していない。 この結合器はまた、低損失デバイスであつて、
典型的には２−３パーセントの挿入損失すなわち
通過損失をもつのみである。ここで用いる“挿入
損失”とは、この結合器を一端から他端へと通過
する光が現実に散乱を受けて破る損失のことをい
う。たとえば、ポートＡに光が与えられ、この光
の97％がポートＣおよび（結合された）ポートＤ
へ到達する場合には、この挿入損失は0.03（３％）
となる。“結合器伝送”という用語は１から挿入
損失を差し引いたものとして定義される。したが
つて、挿入損失が0.03（３％）であれば、結合器
伝送は0.97（97％）となる。 偏光コントローラ４０ 第１図の偏光コントローラ４０として用いるの
に適した偏光コントローラの１つのタイプが、
1980年９月25日に発行されたエレクトリツクレタ
ーズ第16巻、第20号、第778頁から第780頁に記載
されている。 第３図に示されているように、このコントロー
ラはベース７０およびこの上に設置された複数の
直立ブロツク７２Ａないし７２Ｄを含んでいる。
ブロツク７２のうちの隣接したブロツクの間に
は、スプール（spool）７４Ａないし７４Ｃが、
それぞれシヤフト７６Ａないし７６Ｃの上に沿つ
て設置されている。このシヤフト７６は互いに１
つの軸に沿つて配列されており、ブロツク７２の
間で回転可能に取付けられている。スプール７４
は、一般的に円筒形であつて、シヤフト７６に沿
つて位置決めされ、スプール７４の軸はシヤフト
７６の軸に直角となつている。フアイバの部分１
４（第１図）は、シヤフト７６の軸の内孔に沿つ
て延びており、スプール７４のそれぞれのまわり
に巻かれて３つのコイル７８Ａないし７８Ｃを形
成している。コイル７８の半径は、フアイバ１４
が押し付けられてコイル７８のそれぞれにおいて
複屈折媒体を形成するように定められる。この３
つのコイル７８Ａないし７８Ｃは、シヤフト７４
Ａおよび７４Ｃの軸のまわりで互いに独立に回転
して、フアイバ１４の複屈折を調節し、それによ
つて、フアイバ１４を通過する光の偏光を制御す
ることができるようになつている。 コイル７８での巻回の直径および巻数は、外側
のコイル７８Ａおよび７８Ｃが４分の１波長の空
間的な遅延を与え、一方、中央のコイル７８Ｂが
２分の１波長の空間的な遅延を与えるように定め
られる。４分の１波長コイル７８Ａおよび７８Ｃ
は偏光の楕円性を制御し、２分の１波長コイル７
８Ｂは偏光の方向を制御する。これによつて、フ
アイバ部分１４を通つて伝播する波の偏光状態を
全範囲で調節することができる。しかしながら、
この偏光コントローラを変形して、２つの４分の
１波長コイル７８Ａおよび７８Ｃのみとしてもよ
いことがわかるであろう。それは、（そうでない
場合に中央のコイル７８Ｂで与えられる）偏光の
方向は、２つの４分の１波長コイル７８Ａおよび
Ｃを用いて、偏光の楕円性を適当に調節すること
を通して、間接的に制御することもできるからで
ある、このため、第１図に示した偏光コントロー
ラ４０は、２つの４分の１波長コイル７８Ａおよ
び７８Ｃのみを含んでいる。このような配置をす
ることによつてコントローラ４０の全体的なサイ
ズを小さくすることができるため、空間的に制限
されているような特定の用途に、この発明を適用
するときには、有利となろう。 したがつて、フアイバ部分１４を通つて伝播す
る光の偏光状態を確立し、維持し、そして制御す
る手段が偏光コントローラ４０によつて与えられ
ることになる。 共鳴器の動作 再び第１図を参照すると、その動作において、
光源２２からフアイバ部分１２へと入つた光は、
結合器２０のポート１へと伝播し、ここでこの光
の一部分がポート４へと結合するとともに、光の
他の部分はポート３へと伝播する。ポート４にお
ける光はフアイバ部分１６を通つて伝播し、そし
て、フアイバ１０の終端から出る。ところが、ポ
ート３における光はループ部分１４を通つて再び
ポート２からこの結合器に入る。この部分はポー
ト３に結合しており、一方、残りの部分はポート
４に伝播してフアイバ部分１６を通つてゆく。ル
ープ１４と結合器２０は共働して共鳴空洞を与
え、ポート２で結合器に入る光は、レーザ光源２
２から入つてくる光と干渉を起こす。このような
干渉はポート３において強め合いを生ずるが、一
方、ポート４では弱め合いを生じさせ、それによ
つて共鳴空洞ループの中での光の確立が生ずる。 以下、光源２２からの光であつて、フアイバ部
分１２を通つて伝播する光を入力信号波Wiと呼
び、一方、ポート４から出てフアイバ部分１６を
通つて伝播する光を、出力信号波Woと呼ぶこと
にする。ループ部分１４の中を回転している光は
回転波Wcと呼ぶ。 回転波Wcはループ１４のまわりをポート３か
らポート２へと伝播するため、そのパワーの一部
分は伝送損失によつて失われる。“フアイバ伝送
損失”という用語は、光がフアイバを通つてポー
ト３からポート２へと伝播する間に生ずる部分的
な損失として定義する。ここに示す実施例では、
フアイバ伝送損失は完全にフアイバ吸収の関数で
あつて、ポート２における波Wcのパワーすなわ
ち強度は、ポート３における波Wcのパワーに、
exp（−2α0L）を掛けたものに等しい。ここで、
Ｌは光が回転しているループ１４の経路長であつ
て、結合器２０での位相のずれは除外してあり、
また、α0は、フアイバ１０の振幅吸収係数であ
る。このフアイバループの中に他の付加的なコン
ポーネント（たとえばフアイバ光学偏光子）を設
置する場合には、このコンポーネントに起因する
損失を、フアイバ伝送損失の定義の中に含めるこ
とになる。また、“フアイバ伝送”なる用語は、
ポート２における回転波パワーをポート３におけ
る回転波のパワーによつて割算したものとして定
義する。他の方法で説明すれば、これは、ポート
３からのパワーのうちポート２へ到達する部分の
量である（すなわち、フアイバ伝送＝１−フアイ
バ伝送損失）。 フアイバ伝送損失によつて吸収されることに加
えて、この回転波Wcは、結合器２０を通るそれ
ぞれの経路における結合器挿入損失のために若干
弱められる。さらに、入力波Wiのパワーすなわ
ち強度は、結合器２０を通つて伝播する間に、結
合器挿入損失による損失を受ける。これに関し
て、結合器２０を、結合定数とは独立の、加算さ
れて１つとされた挿入損失（γ0）をもつた無損失
デバイスとしてモデル化することができる。結合
器挿入損失と結合２０の４つのポートのそれぞれ
における複素振幅との関係は次の式のようにな
る； ｜E3｜2＋｜E4｜2＝（１−γ0）（｜E1｜2＋｜E2｜
２） (1) 但し；E1、E2、E3およびE4はそれぞれ、結合
器ポート１，２，３および４における複素電界振
幅であり；γ0は結合器挿入損失（典型的に２％か
ら10％のオーダ）である。 ポート３およびポート４における複素振幅は、
ポート１およびポート２における電界振幅と次の
関係にある： E3＝（１−γ0）1/2［（１−Ｋ）1/2E1＋jK1/2E2 (2) および E4＝（１−γ0）1/2［（１−Ｋ）1/2E2＋jK1/2E1 (3) 但し、Ｋは強度結合定数である。Ｋ＝０では結
合は全く存在せず、Ｋ＝１では完全結合が存在し
ていることに対応している。E2およびE3との間
には、さらに、次のような関係がある； E2＝E3e-〓0Lej〓L (4) 但し； β＝nω／ｃ (5) であり；α0はフアイバの振幅吸収係数；Ｌはフア
イバループ部分１４の長さ；ｎはフアイバの有効
屈折率；ωは光の周波数；βはフアイバ１０の伝
播定数；そして、ｃは光速である。 共鳴を完全に行なわせるためには、出力波Wo
は０でなければならず、このため、比E4／E1は
０でなければならない。したがつて、第２式、第
３式および第４式を解いて、E4／E1をγ0、Ｋ、
α0LおよびβLで表わし、E4／E1を０と置くと、
ループの長さＬおよび結合定数Ｋについて書かれ
た共鳴条件が得られる。共鳴に必要な条件のうち
の１つは； βL＝q2π−π／２ (6) であり、ここでｑは任意の整数である。 このため、完全な共鳴を生じさせるためには、
結合器２０による位相のずれを除いたループ１４
のまわりでの全位相遅延（βL）は、2πラジアン
の整数倍からπ／２だけ小さくなつていなければ
ならない。 第２式および第３式によつて、方向性結合器２
０は＋π／２の位相のずれをもつていることに注
意されたい。この位相のずれを第６式のβLに加
えることにより、ループ１４を通る（たとえば、
このループの任意の点からループを回つて、この
任意の点まで戻る）際に回転波Wcに蓄積される
全位相はｑ（2π）に等しくなることがわるかるで
あろう。以下の議論から理解されるように、この
ループの長さはこの共鳴器が組立てられた後に、
この共鳴条件を満足するように調節することがで
きる。これは、フアイバ１４が巻かれている電気
的に駆動されるPZTシリンダを用いてフアイバ
１４を機械的に伸長させることによつてなされ
る。 第６式で特定される共鳴条件は第４図を参照す
ることによつてより完全に理解できるであろう。
第４図は、結合器２０のπ／２の位相のずれをう
まく利用して、ポート３における強め合いの干渉
と、ポート４における弱め合いの干渉とを生じさ
せる方法を示している。議論の便宜上、結合器２
０は、結合器２０の中心部分における有効結合点
と、この点から波長の整数倍だけ離れて隔てられ
たポート１，２，３および４を持つものとして示
される。ループの長さＬはこの結合点からループ
１４を回り、この結合点に戻る距離として見るこ
とができる。この距離は、ｑを整数として、（ｑ
−1/4）波長でなければならない。 第４図において、入力信号波Wiは位相０をも
つたで基準波であり、他のすべての波（すなわち
WcおよびWo）の位相は、この入力波Wiに対し
て相対的に定められるものと仮定する。さらに、
結合器２０を通つて伝播するすべての波を２つの
成分、すなわち、添字ｃで示される“交差結合”
成分と、添字ｓで示される“直通”成分とに分け
ることにする。このため、入力波Wiは、ポート
１からポート４へと伝播する交差結合成分Wic
と、ポート１からポート３へと伝播する直通成分
Wisとに分けられる。同様に、波Wcはポート２
からポート３へと伝播する交差結合成分Wccと、
ポート２からポート４へと伝播する直通成分Wcs
とに分けられる。 光源２２がｔ＝０においてターンオンしたとす
れば、入力波Wiが結合器２０のポート１に位相
０で入り、その中を伝播する。交差結合成分Wic
はポート４に伝播する間に＋π／２の位相のずれ
を受け、一方、直通成分Wisはポート３に伝播す
る間にその位相は変化しないままとなつている。
したがつて、ポート３における光波Wcはその位
相が０である。この波Wcはそれからループ１４
を回つて伝播し、ポート２へと向かう。ループの
長さＬを第６式に従つて選んだ場合、波Wcはポ
ート２に到着したとき−π／２の位相をもつこと
になる。波Wcが結合器２０を通つて伝播する間
に、交差結合成分Wccは＋π／２だけ位相がずれ
て、これがポート３に到着したとき、その位相は
入力波成分WiSの位相と同様に０である。したが
つて、回転波成分Wccはポート３において入力波
成分Wisと強め合うように干渉し、それによつて
ポート３における回転波Wcの強度は増大するこ
とになる。他方、回転波Wcの直通成分Wcsはそ
れがポート２からポート４へと伝播する間に位相
が変化することはなく、そのため、ポート４にお
いてもその位相はなお−π／２のままとなつてい
る。このため、この成分Wcsは、＋π／２の位相
をもつた交差結合入力波成分Wicと弱め合うよう
に干渉する。 その結果として、波Wcがループ１４を通つて
回転すると、これはポート３において入力信号波
Wiと強め合うように干渉し、そしてポート４に
おいてそれと弱め合うように干渉し、それによつ
て第５図に示すように平衡値Pc（eq）に達するま
で、ループ１４を回転する波のパワー（強度）
Pcを緩やかに（そして漸近的に）確立させる。
このような波が平衡値の63％（すなわち、１−
ｅ）まだ確立するように要求される時間は空洞成
長時間（Tc）として定義され、また、一般的に
空洞遅延時間とも呼ばれる。 平衡値において完全な共鳴を達成し、そしてポ
ート４において出力パワーが０となるためには、
第２の条件が満足されなければならない。すなわ
ち、ポート４における直通回転波成分Wcsはポー
ト４における交差結合入力信号成分Wicの振幅に
等しい振幅をもつていなければならないのであ
る。こうしう状況を発生させるためには、結合定
数Ｋを値Krに調節することになるが、この値を
以下“共鳴結合定数”と呼ぶことにする。第２
式、第３式および第４式をE4／E1について解き、
E4／E1を０と置く（これは共鳴条件である）こ
とによつて、この共鳴結合定数Krは次のように
なる； Kr＝（１−γ0）exp（−2α0L） (7) ここに示す実施例においては、この結合伝送は
（１−γ0）であり、フアイバ伝送はexp（−2α0L）
である。したがつて、 Kr＝結合伝送×フアイバ伝送 (8) となる。 開示した実施例においては、フアイバ吸収は
8.3dB／Km、ループ１４は10メートル、そして
2α0Lは632.8nmの波長において0.0158等に等しく
なる。結合器挿入損失が1.8％であるため、共鳴
結合定数は0.967となる。 第７式によつて特定される共鳴結合定数を用い
ると、第２式、第３式および第４式によつて回転
パワー（強度）および出力パワー（強度）は入力
パワーによつて正規化された値として： ｜E3／E1｜2＝Pc(3)／Pi＝（１−γ
0）（１−Kr）／（１＋Kr）2−4KrSin2（βL／２−π／
４）(9) ｜E4／E1｜2＝Po／Pi＝（１−γ0）〔１−（
１−Kr）2／（１＋Kr）2−4KrSin2（βL／２−π／４）
(10) となる。ここでPc(3)はポート３における回転波
Wcのパワー（強度）であり；Piは入力信号波Wi
のパワー（強度）であり；そしてPoはポート４
における出力波Woのパワー（強度）である。 βLを、第６式によつて特定される共鳴条件を
満足するよえに選べば、第９式は： Po／Pimax＝１−γ0／１−Kr (11) となる、この方程式は次のように書き換えること
ができる。 Pi＝Pc（１−Kr）−Piγ0 (12) 第６式が満足されている場合には、（１−Kr）
は回転波Wcの周回部分強度損失（すなわち、結
合器挿入損失＋フアイバ伝送損失）と等しくな
る。このため、第12式の右辺は結合器２０および
ループ１４において散逸された全パワーを表わす
ことになるに。その結果、第12式からわかるよう
に、完全な共鳴状態では、回転パワーpcは、ル
ープおよび結合器において散逸される全パワーが
ボート１における入力パワーPiに等しくなるよう
なものとなつている。 それぞれ第９式および第10式によつて特定され
る正規化された理論的な回転パワーおよび出力パ
ワーはそれぞれ第１図および第７図において、２
つ典型的な結合器挿入損失の値すなわち５％およ
び10％に対して、βLの関数として示されている。
これの曲線はループの長さが３メートル（2α0L
＝0.0057）である場合についてのものであるが、
ループの長さが10メートルである場合においても
同様な曲線が描かれるものであるということを理
解できるであろう。第６図に示されているように
回転パワーPcは結合器挿入損失に強く依存し、
10％の挿入損失に対して入力パワーPiの約９倍で
あり、５％の挿入損失に対しては入力パワーPiの
ほぼ19倍となる。これとは対照的に、出力パワー
Poは第７図に示すように、このどちらの場合に
おいても完全な共鳴状態において０へと減少す
る。しかしながら、第６図および第７図の最小値
および最大値は挿入損失が減少するに従つて鋭く
なり、空洞フイネス（finesse）は結合器挿入損
失に強く依存するものであることを示している。 この空洞フイネスＦは次の式で定義される。 Ｆ＝FSR／δf (13) 但しFSRは共鳴空洞の自由スペクトルレンジ
（すなわち、最小値（第７図）または最大値（第
６図）の間の距離）であり；そして、δfは最大回
転パワーの２分の１（すなわち完全な共鳴におけ
る２分の１のパワー）での回転のパワー最大値
（第６図）の幅である。この自由スペクトルレン
ジFSRは次のように定義することができる。
FSR＝Ｃ／nL (14) 第９式を｜Pc(3)／Pi｜maxの２分の１と等し
いと置くことによつて、最大値の半分における全
幅は次のようになる： δf＝Ｃ／nL｛１−２／πSin-1〔
１−（１−Kr）2／4Kr〕1/2｝(15) Krが１に近い値であるときには、ｗは次のよ
うに近似することができる： δf＝Ｃ／nL １−Kr／π√Kr (16) この近似は0.8より大きなKrに対してその誤差
は0.2％以内となつている。 第14式と第16式とを第13式に代入することによ
つて、空洞フイネスは次のようになる： Ｆ＝π√Kr／１−Kr (17) 共鳴結合定数Krは結合器伝送およびフアイバ
伝送の積に等しく、このため（１−Kr）はルー
プ１４のまわりでの前部分損失に等しくなるとい
うことが、第８式から思い出されよう。第17式か
ら、これらの部分損失が減少するに従つてこのフ
イネスが増大するということがわかるであろう。
したがつて、このフイネスは損失に強く依存し、
そして結合器挿入損失またはフアイバ伝送損失の
うちのいずれかまたはその両方が減少することに
よつて、増大することになろう。ここに示した実
施例においては、このフイネスは約80であり、ル
ープ１４の長さが10メートルに対する自由スペク
トルレンジは約20.6MHzである。 最後に、第５図に戻つてこれを参照すると、空
洞成長時間Tcは次のように近似することができ
る： Tc＝nL／ｃ／２（１−Kr） (18) 共鳴効果を発生するためには、レーザ光源２０
にはｃ×Tcよりも大きなコヒーレンス長をもつ
ていなければならない。 第８図を参照すると、第９式および第10式によ
つて予想される共鳴効果が、フアイバ部分１６の
端部において出力波W0の光学的パワー（強度）
を測定する検出器８０を与えることによつて観測
することができる。検出器８０はライン８２の上
に電気信号を出力し、この出力は出力波Woの光
学的強度に比例するものである。このライン８２
はオシロスコープ８４に接続されてこの信号を入
力させる。三角波発生器８６からの信号がライン
８８上でこのオシロスコープ８４に与えられ、ま
たライン９２の上で位相変調器９０に与えられ
る。特別の例として、この位相変調器は３インチ
の直径をもつたPZTシリンダを備えており、こ
のまわりにフアイバループ１４の部分が26回だけ
巻回されている。三角波発生器８６からの信号は
PZTシリンダ９０を駆動してこれを放射方向に
広げ、そのため、フアイバ１４は直線的に伸長し
て、発生器８６の周波数でフアイバの長さＬを周
期的に変化させることになる。この配置では、こ
のフアイバ共鳴器の振舞いは、走査フアブリーペ
ロー干渉計の振舞いに幾分似たものとなつてい
る。 第９図は、光学的出力パワーPoを表わす検出
器電流９６と、位相変調器９０によつて伸長され
たフアイバの伸長量を表わす三角波発生器信号９
８とのオシロスコープの軌跡を示す図である。信
号９８によつて与えられるフアイバの伸びの量は
波長よりも若干大きくなつており、このため第９
図に示す出力パワーはフアイバの直線的な伸長の
それぞれの間において２度ほど０まで落ちる。結
合定数を共鳴結合定数Krから少し変化させると、
曲線９６の最小値において０ではない出力パワー
が観測される。 フアイバループ１４の中で光の偏光状態を維持
すること、たとえば偏光コントローラ４０を用い
ること、の重要性は、第１０図に示されており、
この図では偏光コントローラ４０の４分の１波長
ループを最適位置から遠くに回転して移動させた
場合について示している。この中で示されている
ように、２つの独立の偏光モードに対応する２つ
の共鳴モードが観測されている。この２つのモー
ドは伝播速度が少し異なつているために異なつた
走査位置において共鳴している。この共鳴モード
のそれぞれは０ではない出力パワーをもつている
が、これは、１つのモードが共鳴しており他のモ
ードは共鳴していない場合には、共鳴していない
モードの出力パワーがどちらかのモードの共鳴点
において観測されるからである。 ブリユアンリングレーザとしての動作 上に述べた共鳴器は、ループの長さＬおよび結
合定数Krを完全な共鳴状態に調節し、光源２２
のパワーをしきい値レベル以上になるように増大
させることにより、ブリユアンリングレーザとし
て作動する。このような場合にしては、光源２２
はフアイバループ１４の中の誘導ブリユアン振動
のためのポンプとして機能する。したがつて、入
力光波Wiおよび回転光Wcを、以下、“ポンプ光”
と呼ぶことにする。 ループ１４によつて形成された共鳴空洞を通つ
て回転しているポンプパワーPcがしいき値レベ
ルにまで達すると、このポンプ光によつてグラス
フアイバ分子が予め定められている音響周波数に
おいて振動する。この音響周波数はフアイバ材料
およびポンプ光の波長の関数である。石英フアイ
バと632.8nｍの波長をもつポンプを用いると、こ
の音響周波数は約27.6ギガHzとなる。 この音響波はフアイバの中をポンプ光と同じ方
向に伝播する。既にこの音響波が存在する場合に
は、回転ポンプ光はこの音響波と相互作用してブ
リユアン散乱を発生させる。このブリユアン散乱
プロセスは、音響波がポンプ光に対する回折格子
として機能するという点において、フラツグ散乱
と幾分似たものとなつている。音響波から後方散
乱された光は干渉して強め合い、ブリユアン波を
発生させるが、これはポンプ光に対して反対方向
に伝播する。この音響波はポンプ光と同じ方向に
動いているため、後方散乱光すなわちブリユアン
波はドツプラーシフトを受けることになり、この
ためその周波数はポンプ光の周波数よりも小さく
なる。ポンプ光の周波数がfpであつて、音響波の
周波数がfaであるとすると、このブリユアンの周
波数fbは次のようになる： fb＝fp−fa （19） 効果において、このポンプ光はブリユアン光波
に変換され、このブリユアン光波はその音響波の
周波数に等しい量だけポンプ波に対して低い方向
にシフトした周波数をもつている。ブリユアン散
乱についての上述の説明は非常に簡単なものであ
り、より完全な説明は刊行物たとえばJohn
Wiley and Sonsから1975年に発行されたAmnon
Yarivの“量子エレクトロニクス”第２版、第
490頁−第498頁に記載されていることがわかるで
あろう。 ブリユアン波が共鳴空洞を通つて回転すると
き、そのパワーの一部分がそれぞれの回転の間
に、フアイバ伝送損失および結合器挿入損失によ
つて失われることになる。上に述べた損失に加え
て、フアイバループ１４の中でブリユアンパワー
の微小な一部分（すなわち、１−Kr）がこのフ
アイバループから外に出てポート１において失わ
れる。それは、結合定数krが1.0よりも小さいか
らである。この損失は結合器挿入損失およびフア
イバ伝送損失とともにまとめて“組合わされた損
失”と呼ぶことにする。この損失は閉じたループ
１４のまわりで１回転するごとにブリユアン波に
おいて失われる全部損失である。 “ブリユアン伝送”という用語は、フアイバ空
洞を通つて１周する（すなわち、１回完全に回転
する）間に伝送されるブリユアンパワーの部分を
示すために用いられる。したがつて： ブリユアン伝送＝１−組合わされた損失 (20) となる。維持されたブリユアン振動が発生するた
めには、レーザの利得は少なくとも組合わされた
損失と同程度でなければならない。このため、維
持されたブリユアン振動に対するしきい値条件は
次のようになる： ブリユアン伝送×ブリユアン利得＝１ （21） 長さＬのフアイバに沿つた誘導ブリユアン散乱
利得は次のようになる： ブリユアン利得＝exp（gPcLeff／Ａ） （22） 但し、ｇはフアイバのブリユアン利得係数であ
り、Pcは回転ポンプパワーでありＡはフアイバ
の有効コア面積であり、そしてLeffは有効利得長
（すなわち、吸収係数α0のフアイバと同じブリユ
アン利得を生じさせる、無損失フアイバの長さ）
である。 Leffは次のように表わすことができる： Leff＝〔１−exp（−2α0L）〕／2α0 （23） ブリユアン波（利得０と仮定する）の周回伝送
はフアイバ伝送すなわちexp（−2α0L）と、ポー
ト３からポート２への実質結合器伝送すなわち
（１−γ0）Krとの積である。したがつて、誘導ブ
リユアン波周回伝送は次のようになる： ブリユアン伝送＝Kr（１−γ0）e
xp（−2α0L）（24） ここで、次の関係式を思い出そう： Kr＝（１−γ0）exp（−2α0L） （25） したがつて、第25式を第24式に代入すると次の
ようになる： ブリユアン伝送＝〔（１−γ0）exp
（−2α0L）〕2（26） 最後に、第22式と第26式とを第21式に代入する
と次のようになる： 〔（１−γ0）exp（−2α0L）〕2exp（g
PcLeff／Ａ）＝１（27） 結合器挿入損失が比較的小さい（たとえば、
0.2より小さい）場合には、量（１−γ0）はexp
（−γ0）と近似することができる。さらに、フア
イバループ１４の長さＬが比較的小さい（たとえ
ば、100メートルよりも小さい）場合には、量
（１−2α0L）はexp（−2α0L）と近似することが
でき、したがつて、LeffはＬと近似できる。この
ような近似を用いるこによつて、第27式はしきい
値回転ポンプパワーPcについて解くことができ、 Pc、しきい値＝2A／gL（γ0＋2α0L） （28） 入力ポンプパワーP1に対する回転ポンプパワ
ーPcの比は次のように定義されることを思い起
こそう： Po／Pi＝１−γ0／１−Kr （29） 第29式を第28式に状入すると、しきい値入力ポ
ンプパワーPiは次のようになる： Pi、しきい値
＝2A／gL （γ0＋2α0L）2／（１−γ0） （30） したがつて、ブリユアン振動を維持するために
は、理論的なしきい値ポンプパワーは第30式で定
義される値と同じかこれよりも大きくなければな
らない。実際問題としては、現実のしきい値ポン
プパワーはこの理論的なしきい値ポンプパワーよ
りも約2.6倍だけ大きくなつていることが知られ
ている。この隔たりは、互いに反対方向に伝播
し、適合していない偏光状態をもつたポンプおよ
びブリユアン偏移波を生じさせるフアイバ複屈折
によるものであると考えられる。したがつて、フ
アイバ１０（第１図）として低損失偏光維持フア
イバを用いることによつて理論的な値により近い
実験的な結果をもたらすことになる。 第30式をＬについて最小化することにより、最
小入力しきい値ポンプパワーを与える最適フアイ
バ長（Lopt）は次のようになる： Lopt＝γ0／2α0 （31） したがつて、最小入力しきい値ポンプパワーを
得るためには、１回転あたりのフアイバ伝送損失
（2α0L）は１回転あたりの結合器挿入損失γ0に等
しくなるように、フアイバループ長Ｌを選ばなけ
ればならない。ここに示す実施例においては、最
適フアイバ長Ｌは10メートルのオーダとなつてい
る。 この発明のブリユアンリグレーザは特に、たと
えば慣性航法への用途などの回転センサとしての
使用に適したものとなつている。第１２図を参照
して行なう以下の詳細な議論にあるように、結合
器２０のポート１およびポート４の双方にポンプ
パワーを入れて、ループ１４の中に互いに反対方
向に伝播するブリユアン波を発生させる。このル
ープをその平面に垂直な軸のまわりに回転させる
ことによつて、ブリユアン波のうちの１つは周波
数が高い方に偏移し、他方は低い方に偏移する。
これによつてこれらの間の周波数差Δfが生ずる。
回転速度Ωはこの周波数差の関数である： Ω＝ΔfＣ／2nrf （32） 但し：Δfは周波数差であり：ｃは光の自由空
間における速度であり：ｒはこのフアイバループ
１４の半径であり：そして、ｆはブリユアン波の
周波数である。 ブリユアン波の周波数偏移が生ずる理由は、第
１１Ａ図および第１１Ｂ図を参照することによつ
てより完全に理解できよう。第１１Ａ図は、石英
フアイバの典型的な放出ラインにおける、周波数
の関数としてのブリユアン利得曲線１００を示し
ている。この中に示されており、また応用物理レ
ターズ（Applied Physics Letters）第34巻、第
139頁（1979）の“単一モード光フアイバのブリ
ユアンスペクトル”において詳細に議論されてい
るように、石英フアイバに対するブリユアン利得
ライン幅は約100MHzである。第１１Ｂ図は、第
１１Ａ図に対応する周波数における、周波数の関
数としての正規化ブリユアン回転パワーをプロツ
トしたもの（すなわち、ループの共鳴周波数１０
２をプロツトしたもの）である。第１１Ａ図のブ
リユアン利得ライン幅の中に、潜在的に連続的な
周波数が存在している。しかしながら、誘導ブリ
ユアン放射はループ１４の共鳴周波数１０２ａ−
ｅにおいてのみ発生するものと考えられる。それ
は、このような周波数においてのみループの中を
回転するからである。共鳴空洞ループ１４の自由
スペクトルレンジFSRはブリユアン利得曲線ラ
イン幅（たとえば100MHz）よりも実質的に小さ
く（たとえば20.6MHz）となつているため、この
ライン幅の中に複数の共鳴周波数１０２ａ−ｅが
存在する。しがつて、このブリユアン利得ライン
幅の中のループ共鳴周波数１０２ａ−ｅのうちの
１つにおいて、ループでのブリユアン光の確立が
起こる。さらに、ループのこれらの共鳴周波数１
０２ａ−ｅの中で、最も高いブリユアン利得をも
つた周波数１０２ｃのみが存在し、このブリユア
ンレーザは単色タイプのレーザとなるであろう。
したがつて、ループ１４が静止しているときに
は、ブリユアン波の双方はブリユアン利得曲線の
ピークに最も近い場所における空洞共鳴点ｃ（共
鳴周波数１０２ｃに対応）の周波数をもつことに
なる。 ループ１４が回転すると、互いに反対方向に伝
播するブリユアン波はそれぞれ異なつた光学的経
路長をもつようになる。これは、サグナツク
（Sagnac）効果によるものであつて、この波のう
ちの一方の経路長は増大し、他方の経路長は減少
する。経路長がこのように変化することによつ
て、それぞれの波の空洞共鳴周波数１０２ａ−ｅ
が偏移する。経路長が増大した方向に伝播する波
については、第１１Ｂ図の破線（誇張してある）
で示すように、共鳴周波数がΔf／２だけ低い方
に偏移している。経路長が減少した方向に伝播す
る波については、その共鳴周波数はこれと同じ量
だけ高い方に偏移している。したがつて、これら
の偏移した共鳴周波数において新たにブリユアン
波のペアが発生することになり、以前の共鳴周波
数におけるブリユアン波は、この空洞の中でもは
や共鳴を起こさないため、ともに減衰する。たと
えば、低い方に偏移した波は、第１１Ｂ図の破線
で示されている偏移した共鳴周波数１０２c′に対
応して、第１１Ａ図の空洞共鳴点c′において発生
する。その結果、ループ１４が回転している間、
このブリユアン波はそれぞれ異なつた周波数をも
つことになりそのうちの１つはループが静止して
いるときの周波数よりも高い方に偏移し、他方は
低い方に偏移する。上述したプロセスは瞬時に発
生するため、ブリユアン波の周波数は回転に対し
て大変よく応答するということは、ここで強調し
ておくべきことであろう。ループの回転によつて
発生する共鳴周波数の偏移は小さいため、レーザ
光源２２からのポンピング照射の非共鳴を起こさ
ないということを注意しなければならない。 したがつて、この周波数差Δfを検出すること
によつて、回転速度を確かめることができる。こ
れはループ１４から外に出た互いに反対方向に伝
播するブリユアン波の微小な一部分を結合し、こ
れらの波を組合わせてそれらが干渉することによ
つて出力波を与えるようにすることによつて達成
されるということがわかるであろう。このブリユ
アン出力波は、うなり周数数において強度が正弦
波状に変化するものである。周波数差Δfはこの
ブリユアン出力波のうなり周波数に等しく、この
ため、出力波のうなり周波数を検出することによ
つて、回転速度を指示させることができる。 ここで第１３図を参照すると、ポート１，４に
それぞれつながるフアイバ部分１２，１６はフア
イバ光学エバセントフイールド方向性結合器１１
４を通つている。この結合器１１４は結合器２０
と同一のものであるが、その結合定数が0.5にセ
ツトされてフアイバ１２，１６のうちの１つを通
つて伝播する波の50％が、フアイバ１２，１６の
うちの他方へと結合するようになつている点が異
なつている。レーザ光源２２は光学的に結合して
光フアイバ部分１２へと入れるようになつてお
り、一方、検出器１１８は光学的に結合してフア
イバ部分１６の端部からの光を受取るようになつ
ている。したがつて、第１１図の回転センサは連
続的な、継ぎ目のない、レーザ光源２２および検
出器１１８の間の光フアイバのストランド１０を
利用していることになる。 レーザ光源２２はポンプ光を与え、このポンプ
光はフアイバ１２へと入れられる。このポンプ光
が結合器１１４を通つて伝播する間に、これは２
等分され、そのポプンパワーのうちの半分は光が
結合器２０に到着したときフアイバ部分１２の中
にあり、一方、ポンプパワーの他の半分は、光が
結合器２０に到着したときフアイバ部分１６の中
にある。好ましくは、結合器２０，１１４の間に
延びているフアイバ部分１２，１６はその長さが
等しくされる。結合器２０において、ポンプ光は
ポート１からポート３への道筋およびポート４か
らポート２への道筋によつてフアイバループ１４
へと導き入れられる。そして、２つの互いに反対
方向に伝播するポンプ光波WP1およびWP2を与
える。ループ１４は共鳴空洞を形成しているた
め、このポンプ光波WP1およびWP2は前に述べ
た第９式によつて与えられる最大回転パワーに至
るまで成長する。第30式を参照して議論したよう
に、この回転ポンプパワーがブリユアン振動に対
するしきい値レベルよりも大きくなつているとき
には、波WP1，WP2のそれぞれのポンプエネル
ギの一部分が互いに反対方向に伝播するブリユア
ン波WB1およびWB2へと返還される。このため、
波WB1は波WP1の方向とは逆の方向に伝播し、
波WB2は波WP2の伝播する方向とは逆方向に伝
播する。 完全な共鳴が起こると、ポート２およびポート
３における回転ポンプ光はポート１およびポート
４における入射ポート光と干渉して、実質的にす
べてのポンプ光がループ１４の中に残り、そして
ポート１およびポート４におけるポンプ光出力は
０となることを追い起こそう。これとは対照的
に、誘導ブリユアン波WB1およびWB2は入力ポ
ンプ光とは有意の干渉を生じない（それは入射ポ
ンプ光とは実質的に異なつた周波数をもつている
からである）。このため、（１−Kr）に等しい、
ブリユアン光の微小な一部分が、結合器１００を
低下するときこれから外へ出る。たとえば、ブリ
ユアン波WB1の一部分がポート２およびポート
４の間を通つてフアイバ部分１６の中を伝播し、
一方、波WB2の一部分がポート３からポート１
へと通つてフアイバ部分１２の中を伝播する。こ
れらの波WB1，WB2は結合器１１４によつて結
合され、ブリユアン出力波WB0となつて検出器
１１８の方向へ伝播する。 検出器１１８はライン１１９の上に電流Idetを
出力するが、この電流はそれに加えられた光の強
度に比例したものである。したがつて、この検出
器電流Idetはブリユアン出力波WB0の強度IBに比
例したものとなる。ここで検出されたブリユアン
出力波の強度は次のように表わすことができる： IB＝IB1＋IB2＋２√B1 B2cos2π（
fB1−fB2）ｔ（33） 但し、IB1はブリユアン波WB1の強度であり、
IB2は波WB2の強度であり、fB1は波WB1の周波数
であり、fB2は波WB2の周波数であり、そして、
（fB1−fB2）は出力波WB0のうなり周波数である。 回転速度が０である場合（すなわち、Ωが０）
には、２つのブリユアン波の周波数は同一であ
り、このための第33式の干渉項（すなわち、余弦
項）は１であつて、そして、ブリユアン波強度IB
は定常状態の値となつている。しかしながら、ル
ープ１４が矢印１２２によつて示されているよう
に、たとえば反時計まわりの方向に回転すると、
ブリユアン波WB1はサグナツク効果によつて、
ループ１２０のまわりでブリユアン波WB2より
も長い光路をもつことになる。光路の長さがこの
ように変わることによつて、誘導ブリユアン振動
に対する共鳴周波数はループのそれぞれの伝播方
向において変化することになる。このため、波
WB1は低い方に偏移した周波数で共鳴を生じ、
また、波WB2は高い方に偏移した周波数で共鳴
を生ずることになつて、これによつて、これらの
間の周波数差が生ずる。これらの波が組合わされ
て出力ブリユアン波WB0となると、このような
周波数差によつてブリユアン強度は、第33式から
わかるように、この周波数差（すなわち、うなり
周波数）の余弦の関数として周期的に変化する。
ライン１１９に接続されてこのラインの上の信号
を受取る検出電子回路１２６は、ブリユアン強度
におけるこれらの周期的変化の周波数を検出する
ためのものである。これは、たとえば、０クロス
を検出して、これに対応して信号Irotを出力し、
このループの回転速度を指示する。要するに、こ
の電子回路１２６は干渉しているブリユアン波の
うなり周波数を通過させ、一方、この検出器電流
の低周波ドリフトおよび定常状態成分をブロツク
する。このような検出システムは従来の技術にお
いてよく知られており、1MHzから100MHzまたは
それ以上の周波数を検出することが可能である。 サグナツク効果によつて、ループが回転すると
ポンプ光波は小さなサグナツクの位相のずれを受
けることになる。しかしながら、都合の良いこと
に、ループ１２０の長さはサグナツク干渉計の長
さ（たとえば数千メートル）に比べて比較的短い
（たとえば10メートル）ために、ポンプ光のサグ
ナツク位相偏移は極めて小さく、ポンプ光の共鳴
または検出器の電流に対してほとんど影響を及ぼ
なさい。 また、検出器１１８に到達したポンプ光とブリ
ユアン光との間のどのような干渉もブリユアン波
うなり周波数の検出に影響を及ぼさないというこ
とも注意すべきである。それは、このポンプ光と
ブリユアン光との間のうなりは、ここに示した実
施例においては、約30GHzであつて、この検出器
によつて検出するには周波数が高すぎるからであ
る。 ここに示した実施例においては、検出器出力ラ
イン１１９を安定化電子回路１３２へと接続する
ライン１３０および、安定化電子回路１３２をル
ープ１４の中のPZTシリンダ１３６へと接続す
るライン１３４を備えるフイードバツクループを
与えて、ループ１４の長さを安定させてポンプ周
波数における完全な共鳴を得ようとしている。特
定の例によれば、このPZTシリンダ１３６は約
３インチの直径をもつことが可能であり、また、
フアイバ１４はこのまわりに26回巻かれていても
よい。このシリンダ１３６はライン１３４の上の
電圧に上の応答してフアイバ１４を伸長させ、フ
アイバループ１４の長さを動的に変化させる。 たとえば、温度のゆらぎによつてループの長さ
Ｌが共鳴に要求される長さから変化すると、ポン
プパワーの一部分がブリユアン波を通してこのル
ープと結合され、それによつて検出器の電流Idet
を増大させる。要するに、この安定化電子回路１
３２は検出器電流Idetの低周波ドリフト成分を通
過させ、一方ブリユアン波WB1およびWB2の干
渉によつて生ずるより高い周波数の成分をブロツ
クする、低域通過フイルタを与えることになる。
この電子回路１３２はライン１３４の上に検出器
電流の増大に応答した信号を与えて、共鳴を再び
与えるために必要とされる量だけPZTシリンダ
１３６を駆動する。このようなタイプの安定化シ
ステムは光重量技術雑誌（JOURNAL OF
LIGHT WAVE TECHNOLOGY）第LT−１
巻、1983年３月、第110頁−第115頁の“すべての
単一モードを感知するフアイバ共鳴リング干渉
計”という名称の記事に開示されている。
第１図はこの発明のブリユアンリングレーザを
用いた共鳴器の概略図であつて、フアイバループ
の中に光を入れるための光源およびフアイバルー
プを閉じるためのフアイバ光学方向性結合器を示
している。第２図は第１図の共鳴器において用い
られるフアイバ光学方向性結合器の１つの実施例
の断面図である。第３図は第１図の共鳴器におい
て用いられるフアイバ光学偏光コントローラの１
つの実施例の斜視図である。第４図は第１図およ
び第２図において示されているフアイバ光学方向
性結合器の概略図であつて、その中を伝播する光
波成分の位相を示している。第５図は時間の関数
としての回転パワーを示すグラフであつて、空洞
成長時間に等しい時間間隔以後の平衡値まで漸近
的に成長する回転パワーを示している。第６図は
入力パワーによつて正規化された、フアイバルー
プを通した位相の遅れの関数としての、ポート３
における回転パワーのグラフであつて、例として
結合器挿入損失を５％および10％とした場合の共
鳴点における正規化された回転パワーを示してい
る。第７図は入力パワーによつて正規化された、
フアイバループを通つた位相の遅れの関数として
の出力パワーのグラフであつて、例として結合器
挿入損失を５％および10％とした場合の共鳴点に
おける出力パワーが０となることを示している。
第８図は第１図の共鳴器の１つの実施例の概略図
である。第９図は第８図に示した実施例に対する
共鳴の振舞いを示すグラフである。第１０図は第
９図と同様の図であつて、共鳴の振舞いにおい
て、偏光コントローラの配列を誤つた場合の、双
方の共鳴モードにおいて光が伝播するという効果
を示すグラフである。第１１Ａ図は石英フアイバ
に対するブリユアン利得の曲線を例示的に示すグ
ラフである。第１１Ｂ図は周波数の関数として
の、ループを回転するブリユアンパワーのグラフ
であつて、このループの共鳴周波数を示してい
る。第１２図はこの発明のブリユアンリングレー
ザを利用した回転センサの概要図である。 図において、１，２，３および４はポート、１
０，１２，１４および１６はフアイバ、２２はレ
ーザ光源、４０は偏光コントローラ、５０Ａおよ
び５０Ｂはストランド、５３Ａおよび５３Ｂはブ
ロツク、７０はベース、７２Ａないし７２Ｄは直
立ブロツク、７８Ａないし７８Ｃはコイル、８０
は検出器、８４はオシロスコープ、８６は三角波
発生器、９０は位相変調器、１２６は検出電子回
路、１３２は安定化電子回路、を示す。
用いた共鳴器の概略図であつて、フアイバループ
の中に光を入れるための光源およびフアイバルー
プを閉じるためのフアイバ光学方向性結合器を示
している。第２図は第１図の共鳴器において用い
られるフアイバ光学方向性結合器の１つの実施例
の断面図である。第３図は第１図の共鳴器におい
て用いられるフアイバ光学偏光コントローラの１
つの実施例の斜視図である。第４図は第１図およ
び第２図において示されているフアイバ光学方向
性結合器の概略図であつて、その中を伝播する光
波成分の位相を示している。第５図は時間の関数
としての回転パワーを示すグラフであつて、空洞
成長時間に等しい時間間隔以後の平衡値まで漸近
的に成長する回転パワーを示している。第６図は
入力パワーによつて正規化された、フアイバルー
プを通した位相の遅れの関数としての、ポート３
における回転パワーのグラフであつて、例として
結合器挿入損失を５％および10％とした場合の共
鳴点における正規化された回転パワーを示してい
る。第７図は入力パワーによつて正規化された、
フアイバループを通つた位相の遅れの関数として
の出力パワーのグラフであつて、例として結合器
挿入損失を５％および10％とした場合の共鳴点に
おける出力パワーが０となることを示している。
第８図は第１図の共鳴器の１つの実施例の概略図
である。第９図は第８図に示した実施例に対する
共鳴の振舞いを示すグラフである。第１０図は第
９図と同様の図であつて、共鳴の振舞いにおい
て、偏光コントローラの配列を誤つた場合の、双
方の共鳴モードにおいて光が伝播するという効果
を示すグラフである。第１１Ａ図は石英フアイバ
に対するブリユアン利得の曲線を例示的に示すグ
ラフである。第１１Ｂ図は周波数の関数として
の、ループを回転するブリユアンパワーのグラフ
であつて、このループの共鳴周波数を示してい
る。第１２図はこの発明のブリユアンリングレー
ザを利用した回転センサの概要図である。 図において、１，２，３および４はポート、１
０，１２，１４および１６はフアイバ、２２はレ
ーザ光源、４０は偏光コントローラ、５０Ａおよ
び５０Ｂはストランド、５３Ａおよび５３Ｂはブ
ロツク、７０はベース、７２Ａないし７２Ｄは直
立ブロツク、７８Ａないし７８Ｃはコイル、８０
は検出器、８４はオシロスコープ、８６は三角波
発生器、９０は位相変調器、１２６は検出電子回
路、１３２は安定化電子回路、を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ループ部分１４を有する光フアイバ１０のス
トランドと； 前記ループ部分１４への光および前記ループ部
分１４からの光を結合する第１の光学結合器２０
とを備え、 前記ループ部分の長さは共鳴空洞を形成するよ
うに選ばれており、 光を検出する検出器１１８と； 前記ループ部分１４での反対方向の伝播のため
に第１および第２のポンプ光波を前記第１の光学
結合器２０に導入する光源２２とをさらに備え、 前記ポンプ光波は、共に前記ループ部分１４の
共鳴周波数を有し、かつ、前記ループ部分１４内
で誘導ブリユアン散乱を生じさせてそれぞれ前記
第１および第２のポンプ光波と相対的に逆方向に
伝播する第１および第２のブリユアン波を与える
に十分な強度を有し、前記ブリユアン波の各々の
周波数は前記ループ部分１４の回転に応答して変
化してそれらの間に前記ループ部分１４の回転速
度を示す周波数差を与え、 前記ループ部分１４から前記第１および第２の
ブリユアン波の各々の部分を受け、ブリユアン出
力波を形成するように前記ブリユアン波を結合す
る第２の光学結合器１１４をさらに備え、 前記ブリユアン出力波は、前記ブリユアン波間
の周波数差に等しいうなり周波数を有しており、 前記第２の光学結合器は、前記光源２２の光を
受け、前記光を前記第１および第２のポンプ光波
に分解し、 前記ブリユアン出力波を前記検出器１１８に導
くガイド手段１６をさらに備え、 前記検出器は、前記うなり周波数を検出する、
ブリユアンリングレーザ回転センサ。 ２ 前記ループ部分１４内を循環する第１および
第２のブリユアン波の強度Pcは、 Pc＝2A／gL（γ0＋2α0L） よりも大きく、ここで、 Ａは前記フアイバ１０の有効コア面積であり； ｇは前記フアイバ１０のブリユアン利得係数で
あり； γ0は前記第１の光学結合器２０の挿入損失であ
り； α0は前記フアイバ１０の振幅減衰係数であり； Ｌは前記フアイバのループ部分１４の長さであ
る、特許請求の範囲第１項記載のブリユアンリン
グレーザ回転センサ。 ３ 前記ループ部分１４内で誘導ブリユアン散乱
を生じさせるに十分なポンプパワーの強度Piは、 Pi＝2A／gL （γ0＋2α0L）2／（１−γ0） よりも大きい、特許請求の範囲第１項または第２
項記載のブリユアンリングレーザ回転センサ。 ４ 前記ループ長さＬは、フアイバ伝送損失が前
記第１の光学結合器の挿入損失と等しくなるよう
に選ばれる、特許請求の範囲第１項記載のブリユ
アンリングレーザ回転センサ。 ５ 前記ループ部分の第１の端部１２内の前記ポ
ンプ光波の前記強度Piは10ｍＷよりも小さい、特
許請求の範囲第３項記載のブリユアンリングレー
ザ回転センサ。 ６ 前記第１の光学結合器２０は、前記ループ部
分の第１の端部１２内の前記第１のブリユアン波
の前記部分と前記ループ部分１４の第２の端部１
６内の前記第２のブリユアン波の前記部分とを結
合し、前記第１の端部１２と前記第２の端部１６
とは、前記ブリユアン波の各々の前記部分を結合
するように前記第２の光学結合器１１４によつて
結合される、特許請求の範囲第１項記載のブリユ
アンリングレーザ回転センサ。 ７ 前記第１および第２の光学結合器２０，１１
４は、エバネセントフイールド双方向性フアイバ
光学結合器である特許請求の範囲第１項記載のブ
リユアンリングレーザ回転センサ。 ８ 前記ループ部分１４内を循環する第１および
第２のポンプ光波の共鳴を安定化させるための安
定化手段をさらに含む、特許請求の範囲第１項記
載のブリユアンリングレーザ回転センサ。 ９ 前記ガイド手段は、前記ループ部分の第２の
端部１６を含み、前記光フアイバ１０は、前記第
１および第２の端部１２，１６間で連続しかつ中
断しない、特許請求の範囲第１項記載のブリユア
ンリングレーザ回転センサ。 １０ 前記ループ部分１４の長さは、それを通し
ての光伝播の４分の１波長の整数に実質的に等し
い、特許請求の範囲第１項記載のブリユアンリン
グレーザ回転センサ。 １１ 光フアイバ１０のループ部分１４とそのル
ープ部分１４への光およびそのループ部分１４か
らの光を結合する光学結合器２０とを有する回転
センサを利用する回転検知方法であつて、 共鳴空洞を形成するために前記ループ部分１４
の長さを選ぶステツプと； 前記ループ部分１４での反対方向の伝播のため
に第１および第２の入力ポンプ光波を前記結合器
２０に導入するステツプとを含み、 前記ポンプ光波は、前記ループ部分１４の共鳴
周波数を有し、かつ、前記ループ部分１４内で誘
導ブリユアン散乱を生じさせてそれぞれ前記第１
および第２のポンプ光波と相対的に逆方向に伝播
する第１および第２のブリユアン波を与えるに十
分な強度を有し、 前記ループ部分１４を回転させて前記ブリユア
ン波間の周波数差を与えるステツプと； 前記ループ部分１４からの前記第１および第２
のブリユアン波の各々の部分を光学的に結合する
ステツプと； 前記第１および第２のブリユアン波の前記部分
を結合してブリユアン出力波を形成するステツプ
とをさらに含み、 前記ブリユアン出力波は、前記ブリユアン波間
の周波数差に等しいうなり周波数を有し、 前記うねり周波数を検出するステツプをさらに
含む、回転検知方法。 １２ フアイバ光学結合器２０を利用して前記端
部１２，１６を前記ループ部分１４と結合するス
テツプと； 共鳴空洞を形成するように前記ループ部分１４
の長さに関して前記結合器２０の結合定数を選ぶ
ステツプと； フアイバ伝送損失が結合器挿入損失と実質的に
等しくなるように前記ループ部分１４の長さを選
ぶステツプとをさらに含む、特許請求の範囲第１
１項記載の回転検知方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/426,885 US4530097A (en) | 1982-09-29 | 1982-09-29 | Brillouin ring laser |
| US426885 | 1982-09-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59134887A JPS59134887A (ja) | 1984-08-02 |
| JPH0458718B2 true JPH0458718B2 (ja) | 1992-09-18 |
Family
ID=23692610
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58181763A Granted JPS59134887A (ja) | 1982-09-29 | 1983-09-28 | ブリュアンリングレーザ回転センサおよび回転検知方法 |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4530097A (ja) |
| EP (1) | EP0104942B1 (ja) |
| JP (1) | JPS59134887A (ja) |
| KR (1) | KR920000569B1 (ja) |
| AT (1) | ATE50668T1 (ja) |
| AU (1) | AU558834B2 (ja) |
| BR (1) | BR8305326A (ja) |
| CA (1) | CA1215767A (ja) |
| DE (1) | DE3381271D1 (ja) |
| IL (1) | IL69724A (ja) |
| NO (1) | NO833511L (ja) |
Families Citing this family (73)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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