JPH0648736B2 - 光ファイバ光源からの光信号出力から残留ポンプ光を吸収するための装置および方法 - Google Patents

光ファイバ光源からの光信号出力から残留ポンプ光を吸収するための装置および方法

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JPH0648736B2
JPH0648736B2 JP3262434A JP26243491A JPH0648736B2 JP H0648736 B2 JPH0648736 B2 JP H0648736B2 JP 3262434 A JP3262434 A JP 3262434A JP 26243491 A JP26243491 A JP 26243491A JP H0648736 B2 JPH0648736 B2 JP H0648736B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】この発明は一般的には光ファイバに関し
かつ特定的には光ファイバ回転センサを形成することに
おいて使用される光ファイバに関する。さらにより特定
的には、この発明は光学的にポンプされた広帯域ファイ
バ光源から光ファイバ回転センサに導入された残留ポン
プ光を吸収する光ファイバに関する。
【０００２】光ファイバリング干渉計は典型的にカウン
タ−伝播光波を導く光ファイバ材料のループを含む。光
波は典型的に超ルミネセンスダイオードのような固体光
源において発生する。ループの回転は周知のサニャック
（Ｓａｇｎａｃ）効果によってカウンタ−伝播波の間の
相対位相差を生み出す。位相差の量はループの角速度の
関数である。ループを通過した後、カウンタ−伝播波は
それらが光出力信号を形成するために建設的にまたは破
壊的に干渉するように結合される。
【０００３】カウンタ−伝播波の干渉によって発生され
た光出力信号はループの回転速度の関数として輝度にお
いて変化する。回転感知は光出力信号を検出しかつそれ
を回転速度を決定すべく処理することによって達成され
る。
【０００４】超ルミネセンスダイオードは所望の広帯域
幅を有するコヒーレント光を与える。しかしながら超ル
ミネセンスダイオードは高価でありかつ多くの航法シス
テムにおける使用のためにはあまりにも短すぎる動作寿
命しか有さない。航法に必要とされるように、三つの相
互に垂直な軸の周囲の回転を測定するための３軸ジャイ
ロは三つの超ルミネセンスダイオード光源を使用して形
成され得る。３軸ジャイロはまた三つの分離ビームを与
えるために単一超ルミネセンスダイオード光源からの光
出力を分割するように配列された複数個の光結合器で形
成され得る。３軸ジャイロに対する適切な光ビームを与
えるためのこれらの方策の双方とも高価でありかつ超ル
ミネセンスダイオードに関する短い寿命の問題を解決し
ない。
【０００５】レーザーダイオードポンプされた希土類ド
ープされたファイバ源は所望の広帯域幅、長い動作寿命
および波長の安定性を有する光を発生する。ポンプ光の
一部は利得媒体によって吸収されかつ一部は反射され得
る。しかしながら、光学的にポンプされた源からの光出
力は典型的にポンプ光のいくらかを含む。出力の中にあ
るポンプ光は残留ポンプ光として知られている。ポンプ
電力の約１０％ないし３０％が広帯域ファイバ源からの
残留ポンプ光としての出力である。
【０００６】残留ポンプ光はノイズおよび不安定性を増
加させることによって光ファイバ回転センサの性能を劣
化させる。残留ポンプ光が光学的にポンプされた源から
光ファイバ回転センサに導入されることを防ぐためのい
ずれの単純な解決法も文献に示されていない。
【０００７】
【発明の要約】この発明は低い損失で広帯域ファイバ源
のエルビウムドープされた（Ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅ
ｄ）ファイバの出力端部に直接接ぎ合わされ得るかまた
は光ファイバジャイロスコープの入力ポートに挿入され
得る単純な、低いコストおよび高い効率の吸収材として
のイッテルビウム（Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ）ドープされた
シリカファイバを用いることを示唆する。
【０００８】Ｙｂイオンはスペクトルにおいてたったひ
とつの励起されたエネルギー準位があるという独特の性
質を有する。2Ｆ7/2 状態からＹｂ−ドープされたファ
イバの2Ｆ5/2 への単一の強い吸収帯域は９５０ｎｍ上
の中心に置かれる。この吸収帯域はλ＝８００ｎｍから
８５０ｎｍおよびλ＝９８０ｎｍの半導体ポンピング波
長の残留ポンプ光をほとんど完全に解消するために理想
的な吸収帯域を与える。Ｙｂ−ドープされたファイバは
１５５０ｎｍの波長を透過し、したがって光源の出力に
何の効果も与えない。
【０００９】この発明は、選択されたポンプ光波長を有
するポンプ光で光学的にポンプされる利得光ファイバを
含む光ファイバ光源からの光信号出力から残留ポンプ光
を吸収するための装置を含み、利得光ファイバに接続さ
れそこから光信号を受信するポンプ光波長を有する光を
吸収するドーパントでドープされた光ファイバの長さを
特徴とする。
【００１０】この発明に従う方法は、選択されたポンプ
光波長を有するポンプ光で利得光ファイバが光学的にポ
ンプされる光ファイバ光源からの光信号出力から残留ポ
ンプ光を吸収するための方法を含み、ポンプ光波長を有
しかつ光ファイバの長さを利得光ファイバに接続しそこ
から光信号を受信する光を吸収するドーパントで光ファ
イバの長さをドープするステップを特徴とする。
【００１１】
【好ましい実施例の説明】図１を参照すると、光学的に
ポンプされた光源１０は好ましくはエルビウム（Ｅｒ）
でドープされる光ファイバ１２の長さを含むように形成
される。光ファイバ１２は後に利得ファイバ１２と呼ば
れる。ポンプ光源１４は、好ましくは高電力レーザダイ
オードであり、エルビウムドープされた利得ファイバ１
２に対してポンプ光を与える。ポンプ光は好ましくは９
８０ｎｍの波長を有する。
【００１２】利得ファイバ１２におけるエルビウムイオ
ンは９８０ｎｍポンプ光の一部を吸収しかつ反転分布
（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）を有す
る。Ｅｒ3+イオンは 4Ｉ13/2状態から 4Ｉ15/2状態への
遷移を経験する。 4Ｉ15/2におけるＥｒ3+イオンはそれ
から１５５０ｎｍの波長を有する超螢光光を放出する。
図１において示されるように右へと導かれるエルビウム
から放出された１５５０ｎｍ光の部分は光学的にポンプ
された光源１０の所望の出力である。
【００１３】利得ファイバ１２は接続１６で終了する。
Ｅｒ3+イオンは入射ポンプ光の約９０％を吸収しかつ 4
Ｉ15/2状態から 4Ｉ13/2状態への遷移を行なう。図４は
Ｅｒ 3+イオンが約９８０ｎｍで吸収ピークを有すること
を示す。図３において示されるように、利得ファイバ１
２におけるＥｒ3+イオンは１０ 4ｄＢ／ｋｍよりわずか
に少ない減衰を有する。ポンプ光の約１０％は利得ファ
イバ１２を介して伝播する。利得ファイバ１２の光出力
はこうしてエルビウムによって放出された１５５０ｎｍ
の光に加えてポンプ光のいくらかを含む。
【００１４】もし光源１０が光ファイバ回転センサにお
いて逆伝播波を与えるために使用されれば、出力におけ
るポンプ光は所望ではない。図１を参照すると１５５０
ｎｍ信号を通過する間にポンプ光を吸収する光ファイバ
２０は接続１６で利得ファイバ１２に接続される。もし
ポンプ光源波長が上記で与えられたように９８０ｎｍで
なければ、イッテルビウム以外の材料はポンプ光を吸収
するために使用されるべきである。
【００１５】イッテルビウム（Ｙｂ）でドープされたシ
リカファイバが信号波長を吸収することなしにポンプ波
長を吸収するということが発見された。図３は９８０ｎ
ｍ光の吸収に起因するＹｂにおけるエネルギー準位の変
化を図示する。Ｙｂ3+イオンはポンプ光を吸収する一方
で 2Ｆ7/2 エネルギー準位から 2Ｆ5/2 エネルギー準位
への遷移を有する。１５０００ｐｐｍの濃度でのＹｂで
ドープされたシリカファイバに対する典型的な吸収係数
αは、 α（λ≒８３０ｎｍ）≒３０ｔｏ５０ｄｂ／ｍ α（λ≒９８０ｎｍ）≒２０００ｄｂ／ｍ α（λ≒１５５０ｎｍ）≒０ｄｂ／ｍ 上記のデータおよび図４から、Ｙｂは利得ファイバ１２
からの１５５０ｎｍ信号出力を減衰させることなしに９
８０ｎｍポンプ光を強く減衰させることが理解され得
る。Ｙｂはポンプ光を吸収したあと１０４０ｎｍの波長
を有する光を放出し得る。１０４０ｎｍ波長で放出され
た電力の量は非常に少なくかつ典型的に≦１μＷであ
る。１０４０波長光はそれが自然放出されるときに位相
ランダム化される。この自然に放出された放射は再び吸
収されかつ結局はより長いＹｂ−ドープされたファイバ
に減少される。
【００１６】装置を高い効率のかつ小型のものにするた
めに、ファイバ２０は例えば１５０００ｐｐｍないし３
００００ｐｐｍのイッテルビウムの高い濃度でドープさ
れ得る。Ｙｂのこれらの濃度で、ファイバ２０は９８０
ｎｍポンプ光を吸収するために約０．５ないし１．０ｍ
長さであり得る。
【００１７】図１は光源１０および吸収ファイバ２０を
含む光ファイバ回転センサ２３に対する模範的な構造を
図示する。ファイバ２０は接続２２で終端となり、それ
は結合器ピグテールファイバ２４に接続される。ファイ
バ２４は１５５０ｎｍ光を光ファイバ回転センサ２３へ
と導く。光ファイバ２４は好ましくは電磁放射の単一モ
ードを導くように構成される。光ファイバ２４への光入
力はマルチプレクサ光結合器２６へと伝播し、それは好
ましくはエバネセント視野光結合器である。マルチプレ
クサ結合器２６はその上の光入射を一対の結合器ピグテ
ールファイバ２５と２７との間に分割する。
【００１８】この発明の単一モードファイバ実現化例に
おける使用に適する光ファイバ方向性結合器は１９８０
年３月２８日発行の「エレクトロニクス レターズ」
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、１８
巻、第１８号、２６０頁ないし２６１頁においてかつ１
９８５年１月１５日にシャウ（Ｓｈａｗ）らに発行され
た米国特許第４、４９３、５１８号において説明され
る。その特許はザ・ボード・オブ・トラスティーズ・オ
ブ・ザ・レランド・スタンフォード・ジュニア・ユニバ
ーシティ（Ｔｈｅ Ｂｏａｒｄ ｏｆ Ｔｒｕｓｔｅｅ
ｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｌｅｌａｎｄ Ｓｔａｎｆｏｒｄ
Ｊｕｎｉｏｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）に譲渡される。
【００１９】ピグテールファイバ２５はそれから光信号
を偏波器３０に導く。図１に示される偏波器３０はバー
フ（Ｂｅｒｇｈ）に対する米国特許第４、３８５、８２
２号に開示された偏波器と本質的に同一のものであり得
る。この発明において使用され得る他の偏波器は米国特
許第４、７２５、１１３号および米国特許第４、６９
５、１２３号において開示される。
【００２０】偏波器３０を励起した後、信号入力は結合
器ピグテールファイバ３１を通過し、それは信号を第２
の光ファイバ結合器３２へと導く。結合器３２は実質的
にマルチプレクサ結合器２６と同一であるように形成さ
れ得る。結合器３２は源２２から発するそこへの光入力
を一対の結合器ピグテールファイバ３５と３６との間に
分割し、それらはまた好ましくは単一モード光ファイバ
である。
【００２１】光ファイバ３４はその端部が結合器ピグテ
ールファイバ３５および３６に接続される。サニャック
感知コイル３４Ａは光ファイバ３４内で形成される。位
相変調器３８は光ファイバ３６とコイル３４Ａとの間に
位置される。
【００２２】光ファイバ３５に入る結合器３２からの光
は位相変調器３８に到達する前に感知コイル３４を伝播
する。光ファイバ３６に入る結合器３２からの光は感知
コイル３４を伝播する前に位相変調器３８を伝播する。
【００２３】位相変調器３８は駆動信号を受信し、それ
は周期関数に従う感知ループ３４内のカウンター伝播光
波の位相の周期変調をもたらし、周期関数はｆs ＝１／
２τに等しい周波数を有し、そこにおいてτは感知ルー
プにおける光波に対する走行時間である。この発明はま
たｎが整数であるｆs ＝（２ｎ＋１）／２τの位相変調
周波数で適当に機能するであろう。これらの周波数で光
を変調させることによってもっとも低い電圧、電流、電
力および電界または磁界を必要とすることによって位相
変調器３８の最も効率的な動作がもたらされる。これら
の周波数はまたレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）後方散乱
誘導ノイズをこのノイズを検出帯域幅の外側に変調する
ことによって与える。これらの周波数はまた位相変調器
３４および位相変調におけるある非直線性によって引き
起こされる寄生偏波変調の解消をもたらす。
【００２４】図１において示されるように、結合器３２
から光ファイバ３５に入る光は感知コイル３４において
時計方向の波を形成する。結合器３２が光ファイバ３６
へと転換させる光は感知コイル３４において反時計方向
の波を形成する。位相変調器３８を通過したあと、時計
方向の波は結合器３２に戻る前に光ファイバ３６を伝播
する。反時計方向の波は光結合器３２に再び到達する前
に光ファイバ３６、位相変調器３８、感知コイル３４お
よび光ファイバ３５を横断する。
【００２５】感知コイル３４を横断する間に、時計方向
のおよび反時計方向の波はその感知軸のまわりの感知コ
イル３４の回転の速度に依存する位相差を得る。図１に
おいて示されるように、感知コイル３４の感知軸はコイ
ルによってかつコイルの中心を介して規定される平面に
垂直である。
【００２６】時計方向および反時計方向の波は結合器３
２内で組み合わされる。組み合わされた波の一部はファ
イバ３１を介して結合器３２を出る。組み合わされた波
の第２の部分はファイバ３７を介して結合器３２を出
る。組み合わされた波は干渉パターンを形成する。この
干渉パターンは感知コイル３４の回転速度を決定するの
に処理される情報を含む。
【００２７】組み合わされた波はそれから光ファイバ３
１を介して偏波器３０へと伝播し戻る。偏波器３０は回
転速度を決定するために処理されるべき光信号が感知コ
イル３４への入力であった光と同じ偏波を有することを
確実にする。これらの偏波はバイアス誤差および尺度係
数変動を最小限にするために同一であるべきである。
【００２８】偏波器３０の出力はそれから光結合器２６
へと伝播し、それは信号の一部を結合器ピグテールファ
イバ２８内に結合させる。光ファイバ２８は光検出器ピ
グテール２９に接ぎ合わされ、それはジャイロ出力信号
を光検出器４０へと導く。光検出器４０は光干渉パター
ンを電気信号に変換する。光検出器４０の出力はジャイ
ロ出力信号処理回路４４に送り込まれる。
【００２９】ポンプ光を吸収する図１のファイバ２０に
対する光ファイバ回転センサにおいていくつかの可能な
場所がある。これらの場所は以下のものを含み、それら
は、 Ａ． 利得ファイバ１２それ自身、 Ｂ． 利得ファイバピグテール２０、 Ｃ． 源が１つ以上のジャイロに使用される時の分配ネ
ットワークにおいて、 Ｄ． 多重結合器ファイバ２４および２５または２７お
よび２８として、 Ｅ． 多重結合器２６と偏波器３０との間、 Ｆ． 偏波器３０と結合器３２との間、 Ｇ． ジャイロ感知コイルファイバ３４、３５または３
６の一部として、 Ｈ． 多重結合器２６と検出器ピグテール２８との間、 Ｉ． 検出器ピグテール２９として、 図５はこの発明を組み入れる第２の光ファイバ回転セン
サ５０を図示する。ポンプ光源５４は利得ファイバ５６
に対してポンプ光を与える。光ファイバ５８は前に説明
されたようにポンプ光を吸収するために利得ファイバ５
６に接ぎ合わされる。結合器ピグテールファイバ６０は
吸収ファイバ５８に接ぎ合わされ、光光学信号をマルチ
プレクサ結合器６２へと導く。マルチプレクサ結合器６
２の出力は多機能集積光チップ７０上に形成された導波
路６８への入力である。一対の導波路７２および７４も
またチップ７０上で形成される。導波路６８は入力信号
を接合７６に導き、そこで光は２つの導波路７２と７４
との間に分割する。光ファイバ感知コイル７８はその端
部が導波路７２および７４に接続される。図５において
示されるように、導波路７２の光出力は感知コイルにお
いて時計方向の波を形成し、かつ導波路７４の出力は反
時計方向の波を形成する。
【００３０】偏波器８０はチップ７０上で形成され、導
波路６８によって導かれた光を偏波する。位相変調器８
２はチップ７０上で形成され導波路７２および７４によ
って導かれた波の位相を変調するための手段を与える。
【００３１】反時計方向および時計方向の波は感知コイ
ル７８を横断しかつ導波路７２および７４に入る。波は
それから接合７６で組み合わされかつ導波路６８を伝播
する。波の組み合わせは回転センサ５０の光出力であ
る。導波路６８はそれから組み合わされた波をファイバ
６３に導き、それからそれらをマルチプレクサ結合器６
２に導く。マルチプレクサ結合器６２はセンサ出力の一
部をファイバ８６へ指示し、それは光出力を検出器８８
へと導く。検出器８８と位相変調器８２との間に接続さ
れたフィードバック電子回路９０は回転速度を決定す
る。
【００３２】図１の回転センサ１０においてのように、
吸収ファイバ５８はいくつかの場所のいずれかひとつに
位置され得る。必要とされることはポンプ光が検出器８
８に到達する前に吸収されなければならないということ
である。したがって、吸収ファイバ５８はポンプ光源５
４と検出器８８との間の光ファイバ光経路においていず
れの場所に位置されてもよい。
【００３３】この発明に従って吸収材を含むように形成
された光源は光ファイバ回転センサにおいて光源として
役に立つことに加えて、光通信システムにおいて使用さ
れ得る。そのような光源は光信号を増幅するために使用
され得、かつ従来の中継器の使用を避けることを可能に
する。
【００３４】ここに開示された構造および方法はこの発
明の原理を示す。この発明はその真意または本質的な特
性から逸脱することなしに他の特定の形状において具体
化され得る。説明された実施例はすべての点において制
限的であるというよりは、むしろ模範的でありかつ例示
的であるように考慮されるべきである。したがって、前
述の説明よりもむしろ前掲の特許請求の範囲がこの発明
の範囲を規定する。特許請求の範囲の均等物の意味およ
び範囲内にあるここに説明された実施例に対するすべて
の修正はこの発明の範囲内に包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバ回転センサにおけるこの発明に従っ
て形成された光ファイバの長さを示す図である。
【図２】Ｙｂ3+イオンに対するエネルギー準位の遷移を
示す図である。
【図３】Ｅｒ3+イオンに対するエネルギー準位の遷移を
示す図である。
【図４】同時ドープされた光ファイバの減衰スペクトル
を示す図である。
【図５】この発明を組み入れる第２の光ファイバ回転セ
ンサを示す図である。
【符号の説明】
１０ 光ファイバ光源 １２ 利得ファイバ １４ 光源 ２０ 吸収光ファイバ
フロントページの続き (72)発明者 シドニー・エックス・ワイ・ファン アメリカ合衆国、91307 カリフォルニア 州、ウエスト・ヒルズ、ジュリー・レー ン、6655 (56)参考文献 特開 平２−306676（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−121311（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−75732（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 選択されたポンプ光波長を有するポンプ
    光で光学的にポンプされる利得光ファイバ（１２）を含
    む光ファイバ光源（１０）からの光信号出力から残留ポ
    ンプ光を吸収するための装置であって、利得光ファイバ
    （１２）に接続されそこから光信号を受信するポンプ光
    波長を有する光を吸収するドーパントでドープされた光
    ファイバ（２０）の長さを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 利得光ファイバ（１２）が選択されたポ
    ンプ光波長を有するポンプ光で光学的にポンプされる光
    ファイバ光源（１０）からの光信号出力から残留ポンプ
    光を吸収するための方法であって、ポンプ光波長を有す
    る光を吸収するドーパントで光ファイバ（２０）の長さ
    をドープするステップと、光ファイバ（２０）の長さを
    利得光ファイバ（１２）に接続しそこから光信号を受信
    するステップとを特徴とする方法。
JP3262434A 1991-02-08 1991-10-09 光ファイバ光源からの光信号出力から残留ポンプ光を吸収するための装置および方法 Expired - Fee Related JPH0648736B2 (ja)

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