JPH0774418A

JPH0774418A - 広帯域源、広帯域源の用途および広帯域源の温度依存性を安定化させるための方法

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Publication number: JPH0774418A
Application number: JP23818091A
Authority: JP
Inventors: Paul F Wysocki; ポール・エフ・ウィソキ; Michel J F Digonnet; マイケル・ジェイ・エフ・ディゴネット; Byoung Yoon Kim; ビヨン・ユーン・キム; Herbert J Shaw; ハーバート・ジェイ・ショウ
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1995-03-17
Anticipated expiration: 2012-06-18
Also published as: EP0476914A2; DE69116484D1; EP0476914A3; EP0476914B1; CA2051612A1; DE69116484T2; JP2620665B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】広帯域にわたり発光可能な光ファイバ形でＬＤ
により励起されるレーザや超蛍光ファイバ源の放射波長
の温度による変化を出来るだけ小さく抑える。【構成】ＥｒやＮｄなどの希土類を添加したファイバ状
活性媒体１１０が半導体レーザにより励起されて発光す
る場合、その波長の熱安定性は（式１）の３項の寄与で
決定される。第１項は活性媒体１１０の固有温度依存
性、第２項はポンプ電力依存性、また第３項はポンプ波
長に対する放射波長の依存性、からの寄与をそれぞれ表
す。これら３つの寄与が互に打ち消し合って放射波長の
温度依存性が最小になるようにポンプ電力とポンプ波長
を最適化する。ここで〈ｌ_ｓ〉は信号の平均波長、Ｔは温度、Ｐはポン
プ電力、ｌ_ｐはポンプ波長である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】この発明は広帯域源の分野の発明であ
り、さらに特定的に光ファイバがレーザを発することが
できる媒体を添加され、かつ光ファイバがポンプ光信号
で汲み上げられて検出器によって検出される出力信号を
発生する希土類を添加された超蛍光ファイバ源の分野の
発明である。

【０００２】光ファイバはますます多くの応用に利用さ
れつつある。かかる１つの応用例は光ファイバのループ
を含む光ファイバ回転センサであり、その中に２つの光
信号が導入され光ループの周りを逆伝搬させられる。か
かる回転センサはたとえば、米国特許第4,410,275 号、
米国特許第4,456,377 号、米国特許第4,487,330 号、米
国特許第4,634,282 号および米国特許第4,637,722 号で
説明される。これらの特許はこの引用により援用され
る。かかる回転センサのために、かつ他の光ファイバ応
用のために、安定しよく制御された光源を有することが
望ましい。

【０００３】ある光ファイバ回転信号のような幾つかの
応用のために、短時間コヒレンス長さを有し、より長い
波長での縦方向のモード構造を有しない高電力広帯域光
エネルギー源が望ましい。光ファイバ回転センサの広帯
域光エネルギー源を使用することは、たとえばカー（Ke
rr) 効果によって生じる位相誤差を削減することが示さ
れた。広帯域光信号はまた、コヒレント後方散乱（つま
りレイリー（Rayleigh) 後方散乱) によっておよびルー
プの偏波交差結合によって生じる回転センサのループか
ら結合された光信号における位相誤差を低減するために
有利に使用され得る。たとえば、米国特許第4,773,759
号、１９８３年４月２６日に出願された米国特許出願連
続番号第488,732 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 号を見られた
い、これらのすべてはこの出願の譲受人に譲渡される。
これらの特許および特許出願はこの引用により援用され
る。ファイバジャイロスコープに対する広帯域源要求に
関する理論分析は、Ｗ．Ｋ．バーンズ（Burns)他の「広
帯域源を有するファイバオプティックジャイロスコープ
（Fiber-Optic Gyroscopes with Broad-Band Sources)
」、ジャーナル・オブ・ライトウェイブ・テクノロジ
ー（Journal of Lightwave Technology)、第ＬＴ−１
巻、Ｎo.１、頁９８−１０５、１９８３年３月に見られ
る。この論文はこの引用により援用される。光ファイバ
回転センサはまた、ほとんど熱ドリフトのない非常に安
定した平均波長を有する源を要求する。回転センサ源は
また、大きなノイズ成分（高い信号／ノイズ率）を生み
出すことなく高電力を回転センサに結合させる能力を有
しなければならない。最終的に、理想的な回転センサ源
は放射線に対するいかなる感度をも低減させるために、
源の光スペクトルのより高い波長領域で好ましくは動作
する。

【０００４】かかる広帯域光源は、たとえば超ルミネセ
ンス光放射ダイオードなどを含む。例証的な超ルミネセ
ンスダイオードは比較的広い光線幅（たとえば約１５ｎ
ｍ）を、たとえば８００ないし８５０ｎｍの範囲の光波
長で有する。しかしながら、所与の電力入力にとって、
例証的な超ルミネセンスダイオードは、たとえばレーザ
と比較すると、適当な量の光エネルギーを与えないかも
しれない。より重要なことに、超ルミネセンスダイオー
ドはジャイロスコープのようなある光装置に容易に結合
されない、なぜなら超ルミネセンスダイオードによって
放射される光は発散性が高いからである。特に、超ルミ
ネセンスダイオードによって生み出される電力は単一モ
ードファイバに効率的に結合することが困難である。さ
らに、典型的な超ルミネセンスダイオードの放射波長の
温度安定性は多くの応用にとって満足のいくものではな
いことは既知である。超ルミネセンスダイオードの平均
波長は約−３００ｐｐｍ／℃変化し、それは約１ｐｐｍ
に安定している平均波長をしばしば要求する高感度ジャ
イロスコープ応用には不適当である。

【０００５】より最近に、スナイツァ（Snitzer)他への
米国特許第4,637,025 号は、ネオジムのような選択され
た活性レーザ材料を添加されたコアを有する光ファイバ
を含む超放射光源を説明した。

【０００６】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、多重結合器に結合する
レーザ材料を添加されたファイバを含む超蛍光広帯域フ
ァイバ源を開示する。この出願はこの発明の出願の譲受
人に譲渡される。かかる超蛍光源は良い出力電力を有
し、光ファイバ回転センサに容易に結合する。それは縦
方向の空胴モードを有せず、良い熱安定性を示す。その
スペクトルは共振レーザ源よりずっと広い。上述の特許
および特許出願はこの引用により援用される。

【０００７】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
発光材料を添加された光ファイバを使用する広帯域光源
を開示する。この出願はこの発明の出願の譲受人に譲渡
され、この引用により援用される。光ファイバはあるポ
ンプ波長を有するポンプ光信号で汲み上げられ、このポ
ンプ波長はそれとは異なる第２の波長で光信号の自発放
射を引き起こすように選択される。ポンプ光信号の波長
はネオジム添加光ファイバのポンプ可変同調範囲（つま
りポンプ波長と一般に１対１の対応をもつ平均波長を有
する放射された波長を刺激するポンプ波長の範囲）外に
なるように選択される。ポンプ可変同調範囲外のポンプ
信号で汲み上げることは、放射された光が実質的にすべ
てのポンプ可変同調範囲に対応する放射波長を有する縦
方向のモードの広いスペクトルエンベロープを有するこ
とを引き起こす。

【０００８】ネオジム添加超蛍光ファイバ源は、したが
って、共振空胴レーザかまたは超ルミネセンスダイオー
ドかのどちらかによって持ち出される問題を解決した。
かかる源は、ミリワットの電力を広帯域スペクトルおよ
び良い熱安定性を有するファイバオプティックジャイロ
スコープに伝えることが可能である。

【０００９】近年、エルビウム添加ファイバは可能性の
ある源として、および１５００ｎｍでの低損失ファイバ
通信ウィンドの増幅目的のために、ますます注目を受け
るようになった。エルビウム添加物がファイバに、典型
的にシリカファイバに適当に添加されるとき、高利得を
得ることが可能である。エルビウム添加ファイバによっ
て放射される光は、類似のモードサイズを持つ他のファ
イバに容易に結合する。エルビウム添加ファイバはまた
熱の面で比較的安定している。それに加えて、エルビウ
ム添加ファイバはネオジム添加ファイバより高い波長光
を放射し、それにより放射線誘導損失機構にそれほど敏
感でなくなる。

【００１０】増幅された自発放射の理論的分析は、Ｅ.
デサービア(Desurvire) 他による論文、「エルビウム添
加単一モードファイバにおける自発放射の増幅（Amplif
ication of Spontaneous Emission in Erbium-Doped Si
ngle-Mode Fibers) 」、ジャーナル・オブ・ライトウェ
イブ・テクノロジー（Journal of Lighwave Technolog
y) 、第７巻、Ｎo.５、頁８３５−８４５（１９８９年
５月）で見られる。１５３５ｎｍでの超蛍光源としてお
よび９８０ｎｍで汲み上げられるエルビウム添加シリカ
ファイバの動作はまた、Ｐ．Ｒ．モルケル（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
ウム添加ファイバ超ルミネセンス源（Erbium-Doped Fi
ber Superluminescent Source for the Fiber Gyroscop
e)」、スプリンガ−バーラグ・ベルリン(Springer-Verl
ag Berlin)、ハイデルベルグ(Heidelberg)１９８９年の
オプティカル・ファイバ・センサーズ（Optical Fiber
Sensors)におけるスプリンガ・プロシーディングズ・イ
ン・フィジックス（SpringerProceedings in Physics)
第４４巻で報告されている。この論文はポンプ電力およ
びファイバ長による超蛍光出力電力の変動を分析し、か
つ超蛍光放射のスペクトルのファイバ長、ポンプ電力お
よびファイバ温度への依存性を観察する。しかしなが
ら、この論文は出力スペクトルの熱変動を最小限にする
ための何の方法も提案しない。

【００１１】ネオジム添加ファイバ源およびエルビウム
添加ファイバ源の双方は、超蛍光ダイオードおよび共振
空胴レーザよりずっと良い温度安定性を有するにもかか
わらず、ほとんど熱ドリフトを持たない光ファイバ構造
を使用する光電力広帯域光源の必要性が依然として存在
する。

【００１２】したがって、この発明の目的は５と１０と
の間の因数だけそれらの熱源の熱依存性を実質的に改良
し、それによって熱変動を僅か２，３ｐｐｍ／℃に低減
し、かつこの発明の方法によって決定される最適の状況
においてでさえ、１ｐｐｍ／℃未満に低減させることで
ある。

【００１３】

【発明の概要】この発明の１つの局面に従って、放射ス
ペクトルを有する広帯域源が開示され、放射スペクトル
は平均波長によって特徴づけられ、源はポンプ源によっ
てポンプ波長で汲み上げられて活性媒体が放射線を放射
することを引起こす活性媒体を含む。ポンプ源のポンプ
電力およびポンプ波長は、活性媒体の固有温度依存性、
平均波長のポンプ電力依存性および平均波長のポンプ波
長依存性の合計を最小限にするように選択され、その合
計は以下のように規定される、

【００１４】

【数３】この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源のポンプ電力であり、さら
にｌ_pはポンプ源によって放射された光の波長である。

【００１５】ポンプ源はレーザダイオードでもよい。活
性媒体はレーザ発光材料を添加された単一モードファイ
バを好ましくは含み、それはエルビウムであってもネオ
ジムであってもよい。

【００１６】ポンプ波長およびポンプ電力はまた関数＜
ｌ_s＞＝ｌ（Ｔ、Ｐ、ｌ_p）の極値を得るように選択さ
れ得る。好ましくは、ポンプ波長およびポンプ電力は、
支配方程式の項の１つがゼロになり、他の２つの項の合
計はできるだけ小さくなるように選択される。これらの
他の２つの項はできるだけゼロに近くてもよいし、また
実質的に等しくかつ反対の符号であってもよい。

【００１７】ポンプ波長はポンプ源のピークポンプ吸収
速度に一致するかまたはそれに近いように好ましくは選
択される。ピークポンプ吸収速度波長の１つはエルビウ
ムの場合に９８０ｎｍに近い。

【００１８】ポンプ波長およびポンプ電力は温度に対す
る平均波長の総変動が１０ｐｐｍ／℃未満であり、好ま
しくは約１ｐｐｍ／℃であるように好ましくは選択され
る。

【００１９】この発明の広帯域源は入力および出力端部
を有し、かつ光ファイバの入力端部のすぐ近くに位置づ
けられた少なくとも１つの反射器を有する光ファイバを
好ましくは含む。反射器は、放射された放射線に好まし
くは実質的に反射性であり、かつポンプ光に実質的に透
過性である。代替的に、源は放射された放射線に実質的
に透過性であり、かつポンプ光に実質的に反射性である
反射器を含んでもよい。かかる反射器はダイクロイック
ミラーであることが可能である。

【００２０】この発明の広帯域源は様々な構成、つまり
逆方向単一パス、順方向単一パス、逆方向二重パスまた
は順方向二重パス構成で動作可能である。それはまた共
振ファイバレーザまたは波長掃引ファイバレーザも含む
ことが可能である。

【００２１】この発明の他の局面に従って、周囲効果、
好ましくは回転を検知するための光センサもまた開示さ
れ、光センサは２つの偏波モードを有する光ファイバを
含むループと、光をループに導入するための広帯域レー
ザ源とを含み、源はポンプエネルギーの活性媒体への印
加に応答して放射スペクトルにおいて放射線を放射する
活性媒体を有し、活性媒体はポンプ源によってポンプ波
長で汲み上げられて活性媒体が放射線を放射することを
引き起こす。ポンプ源のポンプ電力およびポンプ波長
は、活性媒体の固有温度依存性、平均波長のポンプ電力
依存性および平均波長のポンプ波長依存性の合計を最小
限にするように選択され、その合計は以下のように規定
される、

【００２２】

【数４】この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源のポンプ電力であり、さら
にｌ_pはポンプ源によって放射された光の波長である。

【００２３】この発明の他の局面に従って、干渉計、ポ
ンプ光を放射するポンプ光源および放射スペクトルを有
する広帯域光源を含む装置が開示され、放射スペクトル
は平均波長によって特徴づけられ、源は活性媒体を含
み、活性媒体はポンプ源によってポンプ波長で汲み上げ
られて活性媒体が放射線を放射することを引き起こす。
ポンプ源のポンプ電力およびポンプ波長は活性媒体の固
有温度依存性、平均波長のポンプ電力依存性および平均
波長のポンプ波長依存性の合計を最小限にするように選
択され、その合計は以下のように規定される、

【００２４】

【数５】この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源のポンプ電力であり、さら
にｌ_pはポンプ源によって放射された光の波長である。

【００２５】干渉計は好ましくはサグナク（Sagnac) 干
渉計を含む。活性媒体はエルビウム添加単一モード光フ
ァイバまたはネオジム添加単一モード光ファイバを含ん
でもよい。

【００２６】この発明の他の局面に従って、活性媒体を
含み、かつ放射スペクトルを有する広帯域源の温度依存
性を安定させるための方法が開示され、この方法はポン
プ波長でポンプ源によって活性媒体を汲み上げて活性媒
体が放射線を放射することを引き起こすステップを含
み、放射スペクトルは平均波長によって特徴づけられ、
さらにポンプ源のポンプ電力とポンプ波長とを熱に対す
る平均波長の総変動を最小限にするように選択するステ
ップとを含み、ポンプ電力およびポンプ波長は活性媒体
の固有温度依存性、平均波長のポンプ電力依存性および
平均波長のポンプ波長依存性の合計を最小限にし、その
合計は以下のように規定される、

【００２７】

【数６】この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源のポンプ電力であり、さら
にｌ_pはポンプ源によって放射された光の波長である。

【００２８】活性媒体の活性材料は希土類の中から選択
され得る。光ファイバは活性媒体を好ましくは支持す
る。ポンプ波長およびポンプ電力は次の関数＜ｌ_s＞＝
ｌ（Ｔ、Ｐ、ｌ_p）の極地を得るように好ましくは選択
される。それらはまた支配方程式の項の１つがゼロであ
り、他の２つの項の合計ができるだけゼロに近いか、ま
たは実質的に等しくかつ反対の負号であるかのどちらか
によってできるだけ小さくなるように選択され得る。

【００２９】好ましくは、ポンプ波長はポンプ源のピー
クポンプ吸収率に一致するかまたはそれに近い。好まし
くは、９８０ｎｍでのまたは９８０ｎｍに近いピークポ
ンプ吸収率波長はエルビウムの場合に選択される。

【００３０】ポンプ波長およびポンプ電力は温度に対す
る平均波長の総変動が１０ｐｐｍ／℃未満であり、好ま
しくは約１ｐｐｍ／℃であるように好ましくは選択され
る。

【００３１】

【好ましい実施例の説明】この発明の方法および好まし
い実施例を説明する前に、希土類添加ファイバ源の温度
依存性を理解するために、基礎となる物理的現象を説明
することは役に立つであろう。

【００３２】

【希土類添加ファイバ源の熱依存性】源のスペクトルは
一般に温度と共に変化することが可能であり、その理由
は、源の活性媒体のエネルギーレベルが感温性であるか
らか、または様々なレベルの占有が温度と共に変化する
からのどちらかである。希土類添加シリカファイバで
は、エネルギーレベルは環境変化に反応しない、なぜな
ら活性４ｆシェル電子はより大きい軌道関数の６ｓシェ
ル電子によってよく遮蔽されるからである。このために
それらは安定したファイバ源の優れた候補となる。接地
状態、ポンプ状態、上位レーザ状態および下位レーザ状
態を含む活性イオンの様々な適切なエネルギー状態はす
べて、一連の密に分離されたシュタルク（Stark)分割エ
ネルギーレベルを含む。これらのマニホルドの各々のレ
ベルはお互いに十分密であるとともに、十分広げられて
いるので、他のレベルとのスペクトル重畳およびレベル
間の急速な緩和を生み出すことができる。したがって、
各マニホルドの占有はボルツマン（Boltzman) 統計によ
って支配されると仮定される。ボルツマン分配は非線形
温度依存性を示すので、様々なレベルの占有はまた温度
の非線形関数である。ある波長での希土添加ファイバの
利得は、その波長で放射を生み出すすべての可能性のあ
る透過にわたる合計であり、占有の温度依存可能性によ
って加重される。結果として、利得および究極的には希
土添加ファイバ源のスペクトルは温度の複合関数であ
る。ファイバ源の温度依存性は２つの型の活性媒体、つ
まりネオジムおよびエルビウムについて調べられるであ
ろう。

【００３３】

【ネオジム添加ファイバ源】透過の最も単純な型はＮ
ｄ：シリカシステムによって最もよく表わされる４つの
レベルのレーザ透過である。ポンプ光子は接地状態から
ずっと高いポンプ状態へ吸収される。緩和は長く続く上
位レーザ状態に急速に発生する。レーザ透過はこの励起
状態とすっかり空になって急速に接地状態に戻る下位レ
ーザ状態との間で発生する。下位レーザ状態は空のまま
であるので、信号吸収は４つのレベルの利得媒体には存
在しない。Ｎｄ：シリカの主要熱依存は、したがって、
上位レーザ状態を構成する様々なレベルの占有の変動の
みに帰因する。温度が上昇するにつれて、このマニホル
ドのより高いエネルギーレベルはより重く占有されるよ
うになる。結果として、下位レーザレベルへのより高い
エネルギー透過はより起こりやすくなり、そのことはよ
り高い周波数、より短い波長の放射に有利である。ネオ
ジムで添加されたファイバの場合には、最も容易に測定
される熱変動はファイバの長さに沿う利得の集積である
ファイバのどちらかの端部で測定されたスペクトルの変
化である。したがって、スペクトルはファイバ温度が上
昇するにつれてより短い波長（より高い周波数）に変わ
るはずである。熱変化はｐｐｍ／℃で表わされた平均波
長の変化によってしばしば量を計られる。かかる係数は
非線形プロセスの線形近似値であり、したがって、測定
の点の近くの小さな変化に対してのみ厳密に有効であ
る。Ｎｄ：シリカについては、この係数は共振ファイバ
レーザ（ＲＦＬ）かまたは超蛍光ファイバ源（ＳＦＳ）
かのどちらかのための平均波長に対して規定される場合
に負の符号を有することが予期される。

【００３４】

【エルビウム添加ファイバ源】Ｅｒ：シリカの３つのレ
ベルの透過は、ネオジムに関して説明された４つのレベ
ルの透過よりかなり複雑である。かかるシステムにおい
て、接地状態と下位レーザ状態とは単一の状態に結合さ
れる。したがって、上位および下位レーザレベルの双方
はボルツマン統計に従って占有されたままである。信号
放射および信号吸収はどちらも可能である。これらの２
つのプロセスは各場合に作用するレベルの占有の可能性
によって加重される限界をはっきりさせる分離放射およ
び吸収断面によってしばしば分離される。放射は上位レ
ベル状態の占有された下位レベルから下位レーザ状態へ
と発生するが、一方で吸収は下位レーザ状態の占有され
た下位レベルから上位レーザ状態へと発生する。放射断
面のプロットは、したがって、吸収断面より低い周波数
（より長い波長）に変えられる。温度が変化するにつれ
て、２つのプロセスは別々に影響を及ぼされる。４つの
レベルのレーザに関しては、放射は温度の上昇とともに
より短い波長へと変わる。しかしながら、温度の上昇に
つれて、下位レーザ状態のより高いレベルはより重く占
有されるようになり、このことはより低い周波数、より
高い波長吸収に有利である。したがって、吸収は温度の
上昇と共により長い波長へと変わる。エルビウム添加フ
ァイバのどちらかの端部で放射されたスペクトルで観察
された熱変動は、これらのプロセスの双方によって影響
を及ぼされる。ほとんど反転のないファイバの領域は激
しく吸収し、かつ上昇された温度でより長い波長へと変
わる損失スペクトルを生み出す。反転される領域は利得
と上昇された温度でより短い波長へと変わるスペクトル
を生み出す。飽和度がより高い電力レベルで大きくなる
とき、ファイバの多くの領域は小さい正味の利得または
損失のみを有するが、温度でより長いまたはより短い波
長のどちらかへ変わるかもしれないフィルタとして作用
することが可能である。どちらかのファイバ端部で観察
される正味の変化は、係数が、原則的に正か負かどちら
かの値をとることができるようにポンプ電力、ポンプ波
長およびファイバ長の複合関数である。Ｅｒ：シリカ超
蛍光ファイバ源については、順方向および逆方向信号に
観察される変化は必ずしも同一ではない、なぜなら順方
向および逆方向スペクトルは同一ではないからである。
共振ファイバレーザまたは波長掃引ファイバレーザにつ
いては、変化は順方向および逆方向信号の双方で同一で
あるはずである、なぜなら、これらの場合において、放
射波長を決定するのは正味の往復利得であるからであ
る。

【００３５】

【好ましい実施例の熱安定性】ファイバジャイロスコー
プにおいて、換算係数は源スペクトル安定性によって影
響を及ぼされる。これら２つの量に関連して適当である
と示されたパラメタは平均放射波長＜ｌ＞つまりｌバー
であり、以下のように規定される、

【００３６】

【数７】この式において、Ｐ（ｌ）は波長ｌとｌ＋ｄｌとの間で
放射された電力である。平均波長はパーツパーミリオン
（ｐｐｍ）で測定される。慣性グレードファイバジャイ
ロスコープは約１ｐｐｍのスペクトル安定性を好ましく
は必要とする。

【００３７】平均波長は、しかしながら、実務において
は多数、ｎ、の個別の点にスペクトルを分割し、それか
ら以下の方程式の使用することによって計算される、

【００３８】

【数８】平均波長はファイバオプティックジャイロスコープ（Ｆ
ＯＧ）と関連して使用されるファイバ源の安定性を表わ
すために役に立つ量である。ファイバ源がファイバオプ
ティックジャイロスコープに入力される信号の源として
使用されるとき、ＦＯＧの換算係数はファイバ源スペク
トルの平均によって決定される。超蛍光ファイバ源によ
って生み出されるスペクトルの平均波長は、掃引格子ス
ペクトル分析器を使って測定することが可能であり、こ
れはスペクトルを多数の個別点、たとえば５８０点に分
割する。

【００３９】平均波長は数個の変数の関数である。最も
関連した変数は以下のものである、つまり温度、ポンプ
源またはポンプ電力の電力、ポンプ源またはポンプ波長
によって放射される光の波長およびファイバの長さであ
る。ドーピングパラメタ、フィードバックおよびファイ
バ構成のような他のパラメタもまた平均波長に影響を及
ぼす。しかしながら、一旦ファイバが選択されたなら、
これらの変数は温度によってそれほど変化しないし、そ
の寄与は無視し得ると仮定されるであろう。したがっ
て、平均波長は以下の方程式によって表わすことが可能
である、＜ｌ_s＞＝ｌ（Ｔ、Ｐ、ｌ_p、Ｌ）この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源の電力であり、ｌ_pはポン
プ源によって放射される光の波長であり、さらにＬはフ
ァイバの長さである。

【００４０】上述の方程式（１）は小さな変動について
は以下のようになる、

【００４１】

【数９】温度による平均波長の変動はしたがって以下の方程式に
よって与えられる、

【００４２】

【数１０】この式で指数１はＰ、ｌ_p、Ｌ定数であり、指数２は
Ｔ、ｌ_p、Ｌ定数であり、指数３はｌ_p、Ｌ定数であ
り、指数４はＴ、Ｐ、Ｌ定数であり、指数５はＰ、Ｌ定
数であり、指数６はＴ、ｌ_p、Ｐ定数であり、指数７は
ｌ_p、Ｐ定数である。

【００４３】各偏導関数の右側の指数はそれらの指数を
与えられた値は定数であることを示す。たとえば、項

【００４４】

【数１１】は温度、ポンプ波長およびファイバの長さが一定に保た
れる場合のポンプ電力に対する平均波長の変動である。
編集上の理由のために、指数は使用しないこととする
が、当業者は変数Ｘに対する偏微分項は一定に保たれる
他の変数の値について計算されることを認めるであろ
う。

【００４５】微分方程式（５）の第４の項の第２の因子
は小さい。したがって、第１の近似値において、第４の
項は他の項に対して無視し得る。上述の微分方程式
（５）は、したがって以下のようになる（指標はわかり
やすくするために省かれる）、

【００４６】

【数１２】この発明の方法は、温度に対する平均波長の総変動を最
小限にするためにこの微分方程式を使用する。この方程
式を支配方程式と呼ぶこととする。超蛍光ファイバ源平
均波長の熱安定性は、上述の方程式によって表わされる
３つの寄与によって決定される。第１項は活性媒体の固
有温度依存性であり、それは希土類添加超蛍光ファイバ
源においては、主に関連したレーザレベルのボルツマン
分配占有における変動の結果である。たとえば、この依
存性はＮｄ：シリカ超蛍光ファイバ源において約−１０
ｐｐｍ／℃である。第２項はポンプ電力依存性であり、
２つの因数の積である、つまり第１の因数はスペクトル
のポンプ電力レベル依存性であり、第２の因子はポンプ
熱依存性である。最終的に、第３項はポンプ波長上の放
射波長の依存性（第１の因子）とポンプ波長の温度依存
性（第２の因子）とから発生する寄与である。この明細
書を通して、第１、第２および第３項は上に説明された
オーダで支配方程式の項に関連するであろう。ポンプ電
力およびポンプ波長の双方は温度によって急速に変化す
るかもしれないので、第２および第３項は非常に有意に
なり得る。ダイオードレーザポンプ源において、老化お
よび温度はポンプパラメタに影響を及ぼすことは注目さ
れるべきである。たとえば、ダイオードレーザポンプ源
のポンプ平均波長係数は約−４００ｐｐｍ／℃である。
すべての３つの項はエルビウムおよびネオジム添加シリ
カ超蛍光ファイバ源に対して下に評価されるであろう。

【００４７】この発明の原則はしたがって、支配方程式
の３つの寄与がお互いを消すように支配方程式を使用し
てかつポンプ電力とポンプ波長の値を最適化することに
よって平均波長の温度依存性を最小限にすることであ
る。

【００４８】

【エルビウム添加ファイバを使用するこの発明の第１の
好ましい実施例の説明】図１は以下により詳細に述べら
れるようにジャイロスコープのための光源として有利に
使用することが可能なこの発明の例証的な実施例を例示
する。例示されるように、ファイバ源１００は好ましく
は単一モード光ファイバである光ファイバ１１０を含
む。図１に示される実施例において、ファイバ１１０
は、選択されたポンプ波長でポンプ光信号に応答して１
つまたは数個の放射波長で出力光を生み出すためにレー
ザを発するエルビウム（Ｅｒ）で添加されるシリカガラ
スから形成される。たとえば、光ファイバ１１０は５０
ｐｐｍないし２０００ｐｐｍの範囲のエルビウムの濃度
で添加されるかもしれない。図１の光ファイバ１１０は
約１６００ｐｐｍのエルビウムで添加されたＳｉＯ₂の
光ファイバの従来の電気通信型である。図１で示される
実施例で使用される光ファイバ１１０は、アルミニウム
とリンとで同時添加されるかもしれない。例証的な光フ
ァイバ１１０は約２．２ミクロンのコア半径と約８０ミ
クロンの被覆直径とを有する。図１で示されるファイバ
の孔の数ＮＡは０．２である。エルビウム添加光ファイ
バはこの発明で好ましいけれども、光ファイバ１１０は
ネオジム添加ファイバに対して以下により詳細に説明さ
れるような他の適当なレーザ発光材料が添加されること
は可能である。図１の実施例で使用される光ファイバ１
００はＡＴ＆Ｔベル・ラブ（Bell Lab) 、ニュージャー
ジー(New Jersey)によって製造される。ＧＴＥInc.によ
って製造されるエルビウム添加ファイバのような他の光
ファイバは容易に入手できる。

【００４９】光ファイバ１１０は非常に多数の吸収波長
で光を吸収することができる。たとえば、６５０ｎｍの
吸収波長（Ａｒ⁺ポンプＤＣＭ色素レーザ）で、吸収率
はエルビウムの３００ｐｐｍの濃度を有するエルビウム
添加ファイバについては５ｄＢ／ｍである（メアーズ
（Mears)の論文「１．５４ｎｍでの高利得希土類添加フ
ァイバ増幅器（High-gain rare earth doped fiber amp
lifier at 1.54nm) 」を見られたい）。５００ｎｍない
し１５００ｎｍの範囲のエルビウムの吸収範囲でのポン
プ波長での、つまりポンプ放射の十分な強度での光信号
で汲み上げられると、エルビウムドーピングは、以下に
さらに十分に論じられるように、ポンプ波長とポンプ強
度に依存して、約１５２８ｎｍないし約１５８０ｎｍの
放射範囲で光を放射する。さらに特定的に、エルビウム
の吸収ピークは５２８ｎｍ、６５０ｎｍ、８００ｎｍ、
９８０ｎｍおよび１４９０ｎｍの時である。１５３３ｎ
ｍと１５５９ｎｍで放射の２つのピークがある。１５８
０ｎｍで付加的な光の放射があるが、かかる放射は実質
的に低い強度を有する。

【００５０】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に近い
光ファイバ１１０の第１の端部部分１１６は第１の毛細
管１１８内に囲まれて、第１の端部部分１１６のための
支持を設け、かつ第１の端部部分１１６の正確な整列の
ための手段を設ける。同様に、第２の端部１１４に近い
光ファイバ１１０の第２の端部部分１２０は第２の毛細
管１２２内に囲まれ得る。第１の端部１１２と第２の端
部１２４との双方は、１０°より大きいある角度で、た
とえば図１の実施例においては、第１の端部部分１１６
の横断軸と第２の端部部分１２０とにそれぞれ対して約
１５°傾斜する平面上の表面１２４、１２６を規定する
ように研ぎかつ磨かれる。平面上の表面１２４および１
２６は何の反射も保障しないし、ゆえに何の共振構造も
保障しない。図１の実施例において、平面状の表面１２
４、１２６は、−６０ｄＢレベルであると見積もられる
反射を最小限にする。第１の毛細管１１８の近端は、そ
れが平面状の表面１２４と同平面になるように光ファイ
バ１１０の第１の端部１１２と同時に研ぎかつ磨かれ
る。同様に、第２の毛細管１２２の遠端は、それが平面
状の表面１２６と同平面になるように光ファイバ１１０
の第２の端部１１４と同時に研ぎかつ磨かれる。この配
列は単一パスと呼ばれる。フィルタの一方の端部表面が
ファイバの軸と垂直な他の並列が可能である。かかる配
列は二重パスと呼ばれる、なぜならファイバによって放
射される信号は端部表面によって反射され、かつ出力さ
れる前にファイバの利得媒体を２回通過するからであ
る。二重パス配列において、端部表面の一方はファイバ
の端部部分の縦方向軸に実質的に垂直な平坦な平面状の
表面を規定するように精密に研ぎかつ磨かれる。典型的
には、光ファイバの端部部分は第１の毛細管の中に端部
部分のための支持を設け、かつファイバの端部部分の正
確な整列のための手段を設ける。毛細管の端部は、毛細
管の端部が端部部分の平坦な表面と同平面であるように
光ファイバの端部分と同時に研ぎかつ磨かれる。近端の
平面状の表面がファイバの軸と垂直でありかつ遠端の平
面状の表面がある角度に傾斜するとき、ファイバによっ
て放射される順方向信号のみが遠端を介してファイバを
出ることができる。これは順方向二重パスと呼ばれる。
相互的に、近端の平面状の表面がある角度に傾斜してか
つ遠端の平面状の表面がファイバの軸に垂直であるとき
に、逆方向信号のみがその近端を介してファイバを出る
ことができる。これは逆方向二重パスと呼ばれる。単一
パス配列において、２つの信号つまり順方向信号と逆方
向信号とはファイバを出る。ファイバの近端または遠端
近くの検出器の位置は、それが逆方向の信号パスである
か順方向の信号パスであるかを決定する。図１の実施例
において、検出器１５０はファイバ１１０の近端１１２
近くに配置され、そのことが図１のこの実施例を逆方向
単一パス配列にさせる。上に述べられた濃度での光ファ
イバ１１０は、好ましくは０．５メートルより大きくか
つどんな長さにでも増やすことができる長さを有する。
ファイバの長さは添加物の濃度に従って変化し得る。図
１に示される実施例において、光ファイバの長さは約
２．４メートルである。出力信号のスペクトル特性は、
より大きな長さに対しては実質的に変わる。図１のファ
イバ１１０のファイバ長は、考えられるすべてのポンプ
電力レベルに対して順方向信号電力を発生するために最
適な長さより長い。この余分な長さは３つの主な目的を
果たす。第１に、最適の長さを超えるファイバ長は往復
利得を低減しかつ偶発的な共振レーザ発光を妨げる信号
吸収を生み出す。第２に、この長さは９５５ｎｍから９
９５ｎｍに至る全ポンプ帯域にわたってポンプ電力の９
９％より多くを吸収することを保証する。最後に、逆方
向信号は所望の出力であるので、ファイバ１１０のため
のより大きい長さは有利に順方向信号を低減する。順方
向に放射されるいずれの光子も逆方向の放射に利用可能
ではない。順方向信号は逆方向信号のための利得を飽和
させるだけの役割を果たす。

【００５１】ファイバ源１００は光ファイバ１１０の第
１の端部１１２の近くに装着される第１のミラー１２８
を好ましくは含む。図１に示される実施例において、ミ
ラー１２８は水平面に対して４５°の角度で傾斜され
る。ミラー１２８はポンプ信号の波長に対応する光波長
の第１の範囲で実質的に１００％の反射性を有し、かつ
放射された信号の波長に対応する波長の第２の範囲で実
質的に反射性を有し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は検出される出力光からポ
ンプ光を濾波して取り除く。かかるダイクロイックミラ
ーの構造は当該技術分野において周知である。

【００５２】この発明のファイバ源１００はさらに光ポ
ンプ源１３０を含む。図１の実施例で使用されるポンプ
源は、９８０ｎｍ近くの全ポンプ帯域にわたって同調可
能なアルゴン−イオン汲み上げＴｉ：サファイアレーザ
である。Ｔｉ：サファイアレーザは実験目的のために容
易に入手可能である。９８０ｎｍ近くのポンプ帯域は励
起された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１４９０ｎｍまたは９８０ｎｍで放射する
レーザダイオードである。１４９０ｎｍで放射するレー
ザダイオードは、ポンプ光波長が出力光波長に近いとき
に有利である。この波長でも、また、変換の効率性を増
加させる励起された状態吸収はない。ステライル−１３
色素レーザもまた使用可能である。このポンプ源は９８
０ｎｍの波長で放射線を放射する。他の波長で放射線を
放射する他のポンプ源は選択され得る。たとえば、アル
ゴン−イオンレーザは５１４ｎｍで放射線を放射する。
しかしながら、この源は励起された状態吸収を被る。

【００５３】光ポンプ源１３０は波長ｌ_pで矢印１３２
によって表わされるポンプ光信号を発生する。ポンプ源
およびポンプ波長はこの発明の方法に従って選択され
る。

【００５４】光ポンプ源１３０は、ポンプ光信号１３２
が第１のダイクロイックミラー１２８上で反射され、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の中に導入されるようにダイクロイック
ミラー１２８と光ファイバ１１０の第１の端部部分１１
６の縦方向軸とに対して整列される。

【００５５】ポンプ光信号１３２は、図１に例示される
ように、第１のレンズ１３４によって光ファイバ１１０
の第１の端部部分１１６の縦方向軸上に集中されるかも
しれない。図１に示される実施例において、レンズは４
７％の測定された結合効率をもつ１８ｘ対物レンズであ
る。図１の実施例においてレンズが作用する距離は、フ
ァイバ１１０への反射を−５０ｄＢ以下に保つのに十分
に長いように選択された。

【００５６】第１の端部部分１１６に導入されたポンプ
光信号１３２は、光ファイバ１１０の中を第２の端部１
１４の方向へ伝搬する。ポンプ光信号１３２が第２の端
部１１４に向けて伝搬するとき、ポンプ光信号１３２の
光エネルギーは光ファイバ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。イオンが緩和する（つまりその元の安定
状態に戻る）とき、光子はポンプ波長より長い放射波長
で放射される。この放射効果は当該技術分野で既知であ
り、かつ十分な強度のポンプ光信号でエルビウム添加フ
ァイバを汲み上げることによって超蛍光広帯域源を発生
するために有利に使用され、低時間コヒレンスを有する
出力信号を与えるようにランダムな態様で自発放射を生
じさせた。たとえば米国特許第4,637,025 号を見られた
い。この特許はこの引用により援用される。かかる超蛍
光広帯域源は放射された光が光ファイバの第１の端部ま
たは第２の端部から直接通過するように特定的に構成さ
れる。かかる超蛍光広帯域源は共振空胴レーザと同じ態
様では動作しない。

【００５７】図１の実施例において、自発的に放射され
た光のいくぶんかは光ファイバ１１０の第１の端部１１
２に最初は向けられる。この放射された光は逆方向信号
と呼ばれる。自発的に放射された光のいくぶんかはまた
ファイバの第２の端部１１４に向けられる。この放射さ
れた光は順方向信号と呼ばれる。

【００５８】逆方向信号は光ファイバ１１０の第１の端
部１２２を出て、ダイクロイックミラー１２８を通過し
かつ検出器１５０によって集められる。出力ビームに存
在するかもしれない任意のポンプ光を濾波して取り除く
ために、検出器１５０はまた砒化ガリウム水のような光
フィルタ１５２も含むかもしれない。

【００５９】ここで図２が参照され、図２は逆方向（曲
線１５０）と順方向（曲線１６０）との双方でファイバ
１１０に送り出されるポンプ源の電力に対する源１００
の出力電力を例示する。図２のグラフの水平目盛はミリ
ワットでの送り出されたポンプ電力であり、垂直目盛は
ミリワットでの出力電力である。図１の実施例におい
て、ポンプ源は約９８０ｎｍの波長で放射する。しきい
値電力レベルは逆方向と順方向に対してそれぞれ２２ｍ
Ｗと１００ｍＷとである。高電力限界において、曲線１
５０と１６０との両方は逆方向および順方向の波に対し
てそれぞれ３０％と２２％の傾斜をもつ準直線状であ
る。逆方向および順方向に対応する曲線の傾斜の合計、
つまり５２％はファイバ源の効率性を示す。この合計の
上位限界は信号波長（つまり１５５０ｎｍ）のポンプ波
長（つまり９８０ｎｍ）に対する比率である。この比率
は量子限界と呼ばれる。図１の実施例において、量子限
界は６３％（つまり９８０から１５５０の間の定量）で
ある。図１の構成の量子効率は、したがって、８２％、
つまり５２／６３である。源によって生み出される最大
電力は逆方向で８０ｍＷを超える。図２の曲線は単一パ
ス構成についてプロットされている。送り出されたポン
プ電力は逆方向に対するしきい値電力２２ｍＷと順方向
に対するしきい値６０ｍＷとの間を２００〜３００ミリ
ワット、約３５０ｍＷまで変化する。この出力電力は約
８０ｍＷまでのしきい値レベルでの０ｍＷと、３００ｍ
Ｗのポンプ電力に対する５０ｍＷとの間で逆方向および
順方向それぞれについて変化する。曲線１５０および１
６０は特により高いポンプ電力に対しては準直線状であ
る。

【００６０】しきい値に近いポンプ電力レベルで、二重
パス構成は単一パスよりかなり多い電力を生み出すであ
ろう。なぜなら特に未使用の方向では出力は無駄にされ
ないからである。より高いポンプレベルでは、その差は
それほど実質的ではない、なぜなら飽和度はファイバの
両端からの総出力が双方の場合に量子限界に近づくこと
を制限するからである。単一パス装置と二重パス装置と
の間の出力電力における差にもかかわらず、単一パス構
成は好ましい、なぜなら二重パス装置は偶発的なレーザ
発光をより被りやすいからである。二重パス装置におい
て、源端部オプティクスまたは光システム自体からの任
意のスプリアスの反射は往復利得に１の値を越えさせる
ことが可能である。単一パスで逆方向または順方向のど
ちらかである構成はレーザ発光に最も影響を受けやすく
ない、なぜなら１つのファイバ端部は未使用であるから
である。

【００６１】ここで図３を参照すると、図３は様々なポ
ンプ波長に対するポンプ電力の関数でｐｐｍ／℃で表わ
された光ファイバの固有熱係数のプロットである。固有
熱係数は支配方程式の第１項、つまり（δ＜ｌ_s＞／δ
Ｔ）である。図３のグラフはポンプ波長の以下の値、つ
まり９７６ｎｍ（曲線２００）、９８０ｎｍ（曲線２１
０）および９６２ｎｍ（曲線２２０）についてのポンプ
電力に対する固有の熱係数の依存性を示す。１点のみが
９７０ｎｍの波長に対して（約３００ｍＷのポンプ電力
に対する点２３０）与えられ、かつ９６０ｎｍの波長に
対する他の点（約２８０ｍＷのポンプ電力に対する点２
４０）が与えられる。

【００６２】固有熱安定性は温度の範囲で繰返しファイ
バの温度を循環させることによって分析可能である。た
とえば、図１の実施例において、温度は２５℃と７５℃
との間で繰返し変化する。測定システムはファイバ温度
を１分未満で２５℃と７５℃との間で循環させるために
光ファイバを取り囲む温度制御された囲い、０．１ｎｍ
の解像度を有する走査モノクロメータおよびモノクロメ
ータを制御するとともにデータを記録しかつ処理するた
めのコンピュータを含むかもしれない。図１の実施例に
おいて、ファイバの各端部の約１／４メートルは入力お
よび出力結合目的のために囲いの外であり、結果として
加熱されなかった。

【００６３】測定された変化はそれから平均化される。
図１の実施例の２．４ｍファイバについてテストされた
すべての組の条件について、測定されたスペクトルは幅
で２０ｎｍを超え、これはいかなるファイバオプティッ
クジャイロスコープ要求をも遙かに超えるものである。
これらの測定の正確さは±２ｐｐｍ／℃と見積もられ
る。係数はほとんどの場合小さくかつ正である。３つの
レベルのエルビウム透過において、上位および下位レー
ザレベルの双方はファイバに沿う所与の点での反転に依
存して占有される。信号放射スペクトルはより短い波長
に変わるが、信号吸収スペクトルは温度が上昇するにつ
れてより長い波長に変わる。熱係数は、したがって、フ
ァイバに沿う異なる点で異なる。ファイバに沿って集積
されるとき、逆方向で観察される正味の信号は正の熱係
数かまたは負の熱係数かのどちらかを有することができ
る。高い電力でかつ非常に飽和された場合については、
結果は正になる傾向がある。

【００６４】再び図３を参照して、曲線２００（９７６
ｎｍのポンプ波長に対する）はポンプ電力の範囲にわた
って遅い変動を示し、より高いポンプ電力で熱係数の正
味の増加のみを有する。熱係数は６ｐｐｍ／℃と８ｐｐ
ｍ／℃との間で変化する。曲線２００と対照的に、曲線
２２０（９６２ｎｍのポンプ波長に対する）はより低い
ポンプ電力に対して実質的に下がる。熱係数は約５０ｍ
Ｗのポンプ電力についてはゼロになり、５０ｍＷより少
ないポンプ電力については負になる。ポンプ電力のより
高いレベルで、曲線２２０は曲線２００と類似し、かつ
それに実質的に並行である。熱係数はそのとき３ｐｐｍ
／℃と５ｐｐｍ／℃との間で変化する。

【００６５】要約すると、固有依存性は一般に正であ
り、かつファイバ飽和度がより大きくなるときポンプ電
力の増加と共により大きくなる。係数は９６２ｎｍでの
このピーク（曲線２２０）から離れるより９７６ｎｍの
ピークポンプ吸収波長（曲線２００）の近くでより大き
く、たとえ実質的にすべてのポンプ電力が両方の場合に
吸収されるとしてもそうである。９７６ｎｍ（曲線２０
０）で、より大きい飽和度につながるポンプ電力はより
急速に吸収される。固有熱係数の正の符号は、反転のほ
とんどないファイバの領域における吸収スペクトルの変
化は反転された領域に対する放射の変化より大きいこと
を示す。

【００６６】ここで図４を参照すると、図４はポンプ電
力の関数で平均波長を表わす。この変動は支配方程式の
項δ＜ｌ_s＞／δＰに対応する。この依存性は様々なポ
ンプ波長に対してポンプ電力を変え、かつ平均信号波長
を測定することによって計算される。ポンプ電力に対す
る平均波長はポンプ波長の様々な値、つまり９６０ｎｍ
を除いて図２で使用されるポンプ波長の値に対してプロ
ットされる。これらの値は９６２ｎｍ，９７０ｎｍ，９
７６ｎｍおよび９８０ｎｍである。対応する曲線は数字
によってそれぞれ指定される、つまり９７６ｎｍに対し
て曲線３００、９８０ｎｍに対して曲線３１０、９６２
ｎｍに対して曲線３２０および９７０ｎｍに対して曲線
３３０である。ポンプ電力は０ｍＷと３５０ｍＷとの間
で変化し、平均波長は１５４３ｎｍと１５５５ｎｍとの
間の値を取り得る。図４の曲線のほとんどは負の傾斜を
有する、なぜなら付加的なポンプ電力がファイバのより
多くの領域での反転につながるからである。このことは
信号吸収をそれほど効率的でないようにし、かつより短
い波長にある放射ピークに有利である。これらの曲線の
多くの領域において、依存性は実質的である。たとえ
ば、５０−１００ｍＷのあたりの曲線３２０の傾斜は約
−１３ｐｐｍ／ｍＷである。より一般的に、図４のポン
プ電力依存性は典型的な傾斜を−.0１ｎｍ／ｍＷ（−
７．０ｐｐｍ／ｍＷ）に近い状態にして０ｎｍ／ｍＷ
（０ｐｐｍ／ｍＷ）と−.1４４ｎｍ／ｍＷ（−９３ｐｐ
ｍ／ｍＷ）との間の傾斜を示す。負の傾斜が予想され
る、なぜならファイバに吸収される付加的な電力は正味
の反転でいくらかの増加を創り出すはずであるからであ
る。これは平均より短い波長にある超蛍光曲線のピーク
に有利である。しかしながら、曲線のある領域はまた平
坦な変動を示す。たとえば、９７６ｎｍに近いピークポ
ンプ吸収波長で約７０ｍＷで汲み上げるとき、曲線３０
０の最も右の部分はほとんど平坦になる。これは、ある
条件に対しては、１ｍＷへのポンプ電力制御はポンプ電
力依存性の寄与を１ｐｐｍ以下に保つために適当である
かもしれないことを示す。図５は図４に類似し、０ｍＷ
と１００ｍＷとの間のポンプ電力の値についてのポンプ
電力に対する平均波長の依存性を表わす。図５は２０−
９０ｍＷのポンプ電力範囲で図４の部分を拡大している
ので、曲線３００、３２０および３３０の平坦な部分は
より見えるように現われる。曲線３３０は図５で示され
ていない。

【００６７】ここで図６を参照すると、図６はポンプ波
長に対する平均波長のプロット（支配方程式における第
３項（δ＜ｌ_s＞／δＰ））を表わす。この依存性はポ
ンプ波長を変化させながら、ポンプ電力を維持して平均
波長を測定することによって計算され得る。２つの曲線
４００および４１０のみが図６にプロットされ、２つの
ポンプ電力レベル７５ｍＷおよび２８０ｍＷにそれぞれ
対応する。曲線４００および曲線４１０の双方は９７６
ｎｍのピークポンプ吸収波長での最小値でほとんど対称
的である。それらは最小値近くの依存性の形態を大雑把
に例示するための放物線によって適合され得る。曲線の
対称性はポンプ吸収率がスペクトルを制御することを示
す。ポンプ吸収率はピークについて大雑把に対称的であ
るので、ピークから等距離の波長での汲み上げは同じス
ペクトルを生み出しゆえに同じ平均波長を生み出す。曲
線４００および曲線４１０の対称性はしたがって、エル
ビウムは実質的に均質的に広げられるという事実によっ
て説明され得る。すべての吸収されたポンプ光子は信号
発展に関する限り明らかに等価である。急速なポンプ吸
収はより短い波長に有利である、なぜならそれはファイ
バの最も重大な領域において単位長さ当りより多い電力
を与えるからである。これは再びより大きい反転を創り
出し、より短い波長放射スペクトルに有利である。曲線
４００および４１０の傾斜は９７６ｎｍで約０ｎｍ／ｎ
ｍであるが、ポンプ波長の他の値でどちらの符号でも.5
２５ｎｍ／ｎｍまでなり得る。典型的なダイオード依存
性と結合されるとき、これは支配方程式の第３項の寄与
に対して−１００ｐｐｍ／℃から＋１００ｐｐｍ／℃の
範囲を与える。

【００６８】３００ｍＷ曲線に対する放物線適合を使用
して、最小値での動作は変動を.5ｐｐｍ（４００ｐｐｍ
／℃のポンプ変動を仮定して）に保つために.6２℃への
温度安定化を要求するであろう。ポンプ波長を９６０ｎ
ｍから９７６ｎｍへ変えることは、逆方向の出力電力の
２０％より少ない変化を生じさせる。あらゆるポンプ光
子が吸収される限り、それらはファイバのどちらかの端
部からの放射に利用可能である。

【００６９】

【エルビウム添加ファイバ源に関連するこの発明の方
法】この発明の方法は、４次元空間でのポンプ波長、温
度およびポンプ電力の関数で平均波長のグラフをプロッ
トすることに理想的にある。これは実務において実際に
実行可能ではないので、以下のプロットの１組の３次元
プロットが描かれる、つまり温度とポンプ電力の関数で
の平均波長、温度とポンプ波長の関数での平均波長およ
びポンプ電力とポンプ波長の関数での平均波長である。
たとえば、温度とポンプ電力の関数で平均波長の依存性
を示す第１のプロットは第３の変数、つまりポンプ波長
の多数の値に対して描かれる。同じことが他の２つの型
のプロットに当てはまる。次のステップはこれらのプロ
ットの各々についてすべての極値（つまり最小点、最大
点および鞍点）を配置することにある。最終的に、４次
元プロットの極値は３次元プロットで発見される最小点
と最大点との組の交差によって決定される。

【００７０】上に説明された方法はコンピュータ集約的
であるが、４次元プロットにおけるすべての極値の決定
につながる。極値の計算は支配方程式の第１項は、図３
に例示されるように、ポンプ電力の値の範囲にわたって
実質的に一定であるという事実によって容易にされ得
る。図３において、第１項の値（固有熱係数）は１００
ｍＷと３００ｍＷとの間で変化するポンプ電力の値に対
して、かつ９７６ｎｍ当りのポンプ波長に対してだいた
い６−８ｐｐｍ／℃の範囲である。ポンプ波長のより低
い値について、およびポンプ電力の同じ範囲について
は、固有係数はだいたい３ｐｐｍ／℃と４ｐｐｍ／℃と
の間である。支配方程式の第１項は他の２つの変数の値
の広い範囲にわたって一定のままであるので、２、３の
３次元プロットのみが４次元プロットの極値を決定する
ために必要であるかもしれない。

【００７１】ここで図７を参照すると、図７はフローチ
ャートでこの発明の方法のステップを要約する。最初の
ステップ７００は、この発明の目的つまり曲線＜ｌ_s＞
＝ｌ（Ｔ、Ｐ、ｌ_p）の極値（つまり最大点、最小点お
よび鞍点）を決定すること、つまり温度、ポンプ電力お
よびポンプ波長の関数で平均波長を決定することを規定
する。次のステップ７１０、７２０および７３０の各々
で、プロットは変数のうちの２つの各関数についてのみ
描かれる。たとえば、ステップ７１０において、関数＜
ｌ_s＞＝ｌ（Ｔ、ｌ_p）のプロット、つまりポンプ波長
と温度の関数での平均波長のプロットがポンプ電力の多
数の値について描かれる。これは他の変数についても必
要な変更を加えて行なわれる。ステップ７１０、７２０
および７３０で得られたプロットは３次元プロットであ
る。次のステップ７４０、７５０および７６０におい
て、これらのプロットの各々に対する最大値および最小
値が決定される。最後に、最終ステップ７７０におい
て、得られた最大値と最小値の組はステップ７００で表
わされる最初の関数に対応する最小値および最大値を発
見するために交差される。関数＜ｌ_s＞＝ｌ（Ｔ、Ｐ、
ｌ_p）のすべての極値が一旦得られると、安定した最大
値および最小値を保つこと、つまりそれに対する電位が
最小である値を保つことは好ましいかもしれない。

【００７２】上述の方法はコンピュータ動作的に集約的
であり、かつサンプリング変数の各々１つに対応する非
常に多くの測定値を要求するので、支配方程式の項の１
つの値をゼロに調整し、他の２つの項の値を最小限にす
ることは好ましいかもしれない。代替的に、項の２つの
合計の値をゼロに調整しながら、一方で第３項の値を最
小限にすることも可能である。

【００７３】この発明の方法の第１の局面において、支
配方程式の第２項の第１の因数（δ＜ｌ_s＞／δＰ）、
つまりポンプ電力に対する信号波長の依存性はゼロまた
は実質的にゼロに近く調整される。

【００７４】図８を参照すると、図８は第１の局面に従
うこの発明の好ましい方法の主なステップを例示するフ
ローチャートである。最初のステップ８００で、支配方
程式の第２項は調べられ、できるだけゼロに近いように
選択される。第２項は２つの因数の積、つまり信号波長
のポンプ電力依存性（δ＜ｌ_s＞／δＰ）とポンプ電力
の温度依存性の積である。後者の項はポンプ源の性質に
依存し、かつ製造業者によって与えられる。前者の項は
ポンプ波長の様々な値について図４および図５で与えら
れる。曲線３００、３１０、３２０および３３０の唯一
の平坦な部分は、５０−１００ｍＷのポンプ電力範囲の
曲線３００（９７６ｎｍのポンプ波長に対応する）で発
見される。これは第１のポンプ波長と第１の電力範囲と
を与える。ポンプ波長と対応する電力範囲の他の値もま
た、もしより多くの曲線が図４でプロットされれば決定
されることが可能である。図５は下位電力領域における
図４の拡大図であるが、曲線３００の平坦な部分をより
見えるように示す。このステップはボックス８１０によ
って要約され、その結果はボックス８２０にある。より
精密な計算が示すところによれば、ポンプ波長はできる
だけゼロに近い第２項の値を得るために、９７６ｎｍに
近いが９７６ｎｍと等しくない範囲で選択され得るとい
うことである。ステップ８１０は支配方程式の第２項を
ゼロに等しくさせるポンプ波長とポンプ電力との値の組
につながる。

【００７５】次のステップは残りの２つの項、つまり
（δ＜ｌ_s＞／δＴ）＋（δ＜ｌ_s＞／δｌ_p）・（δ
＜ｌ_p＞／δＴ）を最小限にすることにあり、つまり好
ましくはその合計をできるだけゼロに近く調整すること
（ステップ８３０）にある。１つのオプションはポンプ
電力とポンプ波長を残りの２つの項が等しくかつ反対の
符号であってその合計をゼロに等しくするように選択す
ることである。９７６ｎｍ近くのポンプ波長の値に対し
て、固有熱係数は６ｐｐｍ／℃および８ｐｐｍ／℃の間
で変化する。図３は上位ポンプ電力範囲の９７６ｎｍ、
９８０ｎｍおよび９６２ｎｍでのポンプ波長のための曲
線を示す。９７６ｎｍ近くのポンプ波長の依存性は測定
されたポンプ波長での依存性に非常に類似していると予
測される（ステップ８４０）。最後のステップは、ポン
プ波長の正確な値を支配方程式の第３項（δ＜ｌ_s＞／
δｌ_p）・（δ＜ｌ_p＞／δＴ）が−６ｐｐｍ／℃およ
び−８ｐｐｍ／℃の間で変化するように選択することに
ある。第１の因子（δ＜ｌ_s＞／δｌ_p）は図６の曲線
の傾斜の値によって与えられ、一方第２の因子（δ＜ｌ
_p＞／δＴ）、つまりポンプ波長の温度依存性は製造者
によって与えられる。ここで図６を参照して、信号波長
のポンプ波長依存性をそれが所与のポンプ波長に対して
正または負のどちらかであるように選択することが可能
である。たとえば、９７６ｎｍ近くで、曲線４１０の傾
斜は正（曲線４１０の右部分）かまたは負（曲線４１０
の左部分）のどちらかであることは可能である。図６の
曲線の傾斜の符号を選択する能力があれば、固有熱係数
を補償することができる。

【００７６】この場合に、図１に表わされた実験的設定
で使用されるファイバの型について、選択されるポンプ
電力は６０ｍＷに等しい。９７６ｎｍ近くで、固有温度
依存性（支配方程式の第１項）は約６ｐｐｍ／℃であ
る。典型的なレーザダイオードは約−３００ｐｐｍ／℃
のポンプ波長温度依存性を有する。もし信号波長の波長
依存性（δ＜ｌ_s＞／δｌ_p）が比率０．０２．［ｌ_s
／ｌ_p］になれば、その項の−３００との乗算は−６ｐ
ｐｍ／℃を与え、それは固有熱係数を無効にする。比率
［ｌ_s／ｌ_p］はｐｐｍ単位を適当な基準波長単位に変
換するために必要である、なぜならｐｐｍ単位は平均波
長に関連するからである。ステップ８５０は、図６にプ
ロットされる曲線の傾斜がその特定のポンプ波長に対し
て０．０２．［ｌ_s／ｌ_p］を与えるように電力ポンプ
および波長を見つけることにある。他の項において、支
配方程式の３つの項の所望の消約が得られる９７６ｎｍ
に近い点がある。もしポンプ源がそのファイバのための
ピーク吸収点でまず動作されれば（ここでは９７６ｎ
ｍ）、そしてポンプ波長で僅かに上向きに移動されれ
ば、ゼロ正味波長変動が得られる点に結局到達するであ
ろう。この発明の場合において、最適のポンプ波長は６
０ｍＷのポンプ電力に対して９７６．５ｎｍ近くで発見
された（ステップ８６０および８７０）。

【００７７】実務では、第２項は見つけられたポンプ波
長の値（９７６．５ｎｍ）に対して正確にゼロではな
い。この方法の改良点において、第２項の新しい値は正
味の熱波長変動を無効にするポンプ波長の新しい値をよ
り正確に発見するために支配方程式に接続され得る。

【００７８】この発明の他の局面に従って、ポンプ波長
は支配方程式の第３項がゼロであるように選択される。
第３項の最初の因子（δ＜ｌ_s＞／δｌ_p）は第３項の
第２の因子の値（δｌ_p／δＴ）から独立してゼロであ
り、それはポンプ源の製造者によって単純に与えられ
る。再び図６を参照すると、図６において平均波長はポ
ンプ波長に抗してプロットされる。曲線４００と４１０
の傾斜は７５ｍＷと２８０ｍＷとにそれぞれ等しいポン
プ電力の値に対する係数の値（δ＜ｌ_s＞／δｌ _p）を
与える。たとえば、２８０ｍＷのポンプ電力に対して
（曲線４１０）、項（δ＜ｌ_s＞／δｌ_p）は９７６ｎ
ｍに等しいポンプ波長についてゼロである。この項は７
５ｍＷのポンプ電力について９７６ｎｍでゼロである
（曲線４００）。

【００７９】第３項が一旦ゼロに等しくなれば、２つの
オプションが支配方程式によって与えられた温度依存性
を最小限にする際に可能である。他の２つの項はできる
だけ小さくされ得る。代替的に、２つの最初の項はお互
いを補償するかまたは非常に小さな値を増す。

【００８０】第３項を無効にするポンプ波長は９７６ｎ
ｍに非常に近いと仮定すれば、曲線２００に与えられる
固有係数項はだいたい６ｐｐｍ／℃および７ｐｐｍ／℃
の間である。したがって、第２項は−６ｐｐｍ／℃また
は−７ｐｐｍ／℃にできるだけ近くなければならない。
第２項は２つの因子つまり（δ＜ｌ_s＞／δＰ）および
（δＰ／δＴ）の積である。第２の因子（δＰ／δＴ）
は製造業者によって与えられ、典型的な半導体源につい
て負である。第１の因子（δ＜ｌ_s＞／δＰ）は図４お
よび図５の曲線の傾斜によって与えられる。ここで図５
が参照される。図５において、曲線３００の傾斜は負の
値から正の値へ変化する。したがって、ポンプ電力を第
２項が負であって絶対値でだいたい６ｐｐｍ／℃または
７ｐｐｍ／℃に等しいように選択することが可能であ
る。この最後のステップは１組の最適な波長のための最
適のポンプ電力を選択することを可能にする。

【００８１】この発明の他の局面に従って、支配方程式
の第１項、つまり熱係数はゼロになるように選択され
る。図３を参照すると、図３は熱係数の幾つかのプロッ
トを表わす。図３に表わされる曲線のただ１つのみが、
つまり９６２ｎｍのポンプ波長に対しかつ約７０ｍＷの
ポンプ電力に対する曲線２２０がｘ−軸と交差する。ポ
ンプ源の電力はしたがって比較的低い。ポンプ電力およ
びポンプ波長のこれらの２つの値は図４、図５および図
６の曲線を使用して第２および第３項を決定する。

【００８２】上に説明された方法は図９のフローチャー
トで要約される。第１のステップ９００は３つの項を含
む支配方程式を考えることにある。３つのオプションが
可能である。第１のステップ９１０において、第１項は
ゼロになるように選択される。図３（ステップ９１２）
はそれに対して曲線がｘ−軸と交差する（ステップ９１
４）ポンプ波長とポンプ電力との１組の値を生み出す。
図３の場合において、ただ１つの曲線のみがその条件を
満たす。しかしながら、ポンプ波長の他の値に対する他
の曲線が可能であるかもしれない（たとえば、図３に表
わされていないが、９６３ｎｍのような９６２ｎｍに近
いポンプ波長の値に対する）。一旦１組の対｛ｌ_p、
Ｐ｝が得られれば、図４、図５および図６は第２および
第３項の合計を最小限にする（ステップ９１６）最適の
対｛ｌ_p、Ｐ｝を選択するために使用される。これはま
た他の項についても行なわれ得る。異なった数字は項の
１つを消す値の組｛ｌ_p、Ｐ｝と残りの項の合計を最小
限にする１つの最適の値（または恐らくは複数の最適の
値）とを決定するために使用される。たとえば、第２項
（ステップ９２０）か第３項（ステップ９３０）のどち
らかは図４、図５または図６をそれぞれ選択することに
よってゼロに等しくされ得る（ステップ９２２および９
３２）。１組の対｛ｌ_p、Ｐ｝はどちらの場合でも得ら
れる（ステップ９２４および９３４）。次のステップは
残りの項の合計を最小限にする最適の対｛ｌ_p、Ｐ｝を
選択することにある（ステップ９２６および９３６）。

【００８３】上に説明された方法において、すべての測
定は一定で２５℃に等しいとされる室温で行なわれる。
図４、図５および図６で得られた係数は他の温度では異
なるであろう。

【００８４】この発明の方法によって得られる温度依存
性は極端に低く、最良の実験条件下でポンプパラメタを
注意深く選択しないで予想される温度依存性よりだいた
い５ないし１０倍よい。たとえば、約１ｐｐｍ／℃の熱
変動はこの発明の方法を適用することによって得られ
る。

【００８５】ポンプの電力はポンプ源の放射波長ほど制
御可能ではないことは注目される。たとえば、ダイオー
ドの場合に、ポンプ電力はダイオードの老化と共に変化
するかもしれない。これはより良い結果が支配方程式の
第２項を消すことによって、つまりポンプ電力よりはむ
しろポンプ波長を変えることによって得られる。

【００８６】

【ネオジム添加ファイバを使用するこの発明の他の好ま
しい実施例と方法の説明】この発明の方法はいずれの希
土類添加ファイバ源にも適用可能である。たとえば、こ
の発明の原則はネオジムの場合にもまた有効である。

【００８７】ここで図１０を参照すると、図１０はネオ
ジムを添加されたこの発明のファイバ源の概略の図解を
示す。図１０において、図１と同じ参照数字が使用され
るが、唯一の違いはそれらはすべて数字の１が前に付け
られたことである。図１０の実施例で使用されるファイ
バ１１１０はリンを同時添加された１６．５ｍＮｄ₂Ｏ
₃添加単一モードファイバである。かかるファイバは重
量で０．０２％ネオジムを添加される。それは６μｍの
コア直径と９２０ｎｍの遮断波長とを有する。かかるフ
ァイバは容易に入手可能であり、ファイバ製造業者であ
るＢＴＲＬによって供給され得る。図１０の実施例にお
いて、ファイバ１１１０は１．０６μｍで高い反射器を
使用する二重パス順方向信号構成で動作される。これは
ファイバ１１１０の近端１１１６が、第１の端部部分１
１１６の縦方向軸に実質的に垂直な平面状の表面１１２
４を規定するように磨かれかつ研がれることを意味す
る。この平面状の表面１１２４はポンプ放射を透過させ
るが、ファイバによって放射された逆方向信号を反射す
る。ファイバ１１１０の遠端は１０°より大きい角度
で、たとえば、図１０の実施例において、第２の端部部
分１１２０の横断軸に対して約１５°で研がれかつ磨か
れる。平面状の表面１１２６は何の反射も保証しないの
で、ゆえに何の共振構造も保証しない。

【００８８】この発明のファイバ源は、光ファイバ１１
１０の第１の端部１１１２上に装着された第２のダイク
ロイックミラー１１２９をさらに好ましくは含む。ミラ
ー１１２９は平坦な反射表面を好ましくは含み、ミラー
１１２９の平坦な反射表面が第１の端部１１１２の表面
１１２４に並行であるように第１の端部１１１２に対し
て装着される。したがって、ミラー１１２９の平坦な反
射表面に垂直な線は、光ファイバ１１１０の第１の端部
部分１１１６の縦方向軸と整列される。この発明のかか
る実施例において、第１の毛細管１１１８はミラー１１
２９のための装着表面として有利に使用され、上に説明
された整列を与える。ミラー１１２９は適当な接着剤で
第１の毛細管１１１８に取付けられるかもしれない。こ
の発明の他の実施例において、ミラー１１２９は光ファ
イバ１１１０の第１の端部１１１２上に反射コーティン
グを置くことによって組立てられる。

【００８９】この発明の他の実施例において、光ファイ
バ１１１０の第１の端部１１１２上に装着されたミラー
はないが、平面状の表面１１２４は４％の反射表面を与
えるように平坦に磨かれる。したがって、かかる構成に
おいて、もしポンプ光波長が出力光波長の整数分数であ
れば、平面状の表面１１２４はポンプ光および出力光の
両方の波長に対して４％の反射表面を与える。したがっ
て、平面状の表面はポンプ光信号の９６％を透過し、フ
ァイバ源によって放射される光の４％を実質的に反射す
る。平面状の表面の反射率は出力光に対して低い（４
％）けれども、この発明のレーザの空胴でレーザ放射を
生み出すために十分である。ミラー１１２９の平坦な反
射表面に垂直な線が光ファイバ１１１０の第１の端部部
分１１１６の縦方向軸と整列されるようにミラーが位置
づけられる前述の実施例において、ダイクロイックミラ
ー１１２９の特性は、ミラーがポンプ波長で本質的に透
過性であり、出力光波長で本質的に反射性であるようで
なければならない。図１０で示される実施例において、
ミラー１１２８の特性はポンプ源と検出器との異なる位
置決めとミラー１１２８の角度傾斜とのために逆であ
る。

【００９０】８２６．６ｎｍでの６２ｍＷのポンプ電力
で汲み上げられたとき、固有熱依存性は−６ｐｐｍ／℃
であると測定される。ここで図１１を参照すると、図１
１はファイバのポンプ電力依存性、つまり支配方程式の
第２項を表わす。１つの曲線１１５０のみが８２６．６
ｎｍのポンプ波長について表わされている。図１１はエ
ルビウムの場合の図４に類似している。曲線１１５０は
負の傾斜を有し、それは第２項の第１の因子は少なくと
も曲線１１５０をプロットするために使用される特定の
ポンプ波長についてゼロになり得ないことを暗に示す。

【００９１】図１２をもまた参照すると、図１２は２つ
のポンプ電力レベル、つまり３８ｍＷ（曲線１２００）
および６２ｍＷ（曲線１２２０）に対するネオジムファ
イバ源のポンプ波長依存性（支配方程式の第３項）を例
示する。図１２はエルビウムの場合の図６に類似してい
る。エルビウムに対する図６の曲線と違って、ネオジム
に対する曲線１２００および１２２０は最小値を示さな
いようであり、そのことは支配方程式の第３項はゼロに
等しくなり得ないことを示す。

【００９２】図１１および図１２に例示される結果は上
に示された背景とすべて一貫している。固有依存性は負
であり、絶対値で１０ｐｐｍ／℃未満であり、−３００
ｐｐｍ／℃の予想された係数を有する従来の半導体源に
比べると実質的な改良を示す。ポンプ電力依存性（図１
１）は−.0５４ｎｍ／ｍＷ（−５０ｐｐｍ／ｍＷ）と
−.0２（−１９ｐｐｍ／ｍＷ）との間の傾斜でテストさ
れた範囲にわたって負の傾斜を有し、約１ｐｐｍの温度
安定性を得るための最良の場合に.0５ｍＷ以内に源電力
を制御する必要性を示す。傾斜の符号はこの場合負であ
る、なぜならスペクトルのピークは平均波長より短い波
長に移されるからである。ポンプ電力が上昇するとき、
スペクトルはピークでの利得がスペクトルの縁端での利
得を遙かに超えるとき狭くなる。より重要なことに、こ
のプロセスは平均をピークに近づける。その影響は幅が
最小値に近づくにつれて減少し、非均質的な飽和のため
に高い電力で上昇さえするかもしれない。波長依存性
（図１２）は.2０ｎｍ／ｎｍと.0１３ｎｍ／ｎｍとの間
の様々な傾斜をとり、それは−３００ｐｐｍ／℃のポン
プダイオード依存性に対して、−４６ｐｐｍ／℃および
−３ｐｐｍ／℃の間で波長依存性項を生み出す。図１２
上の正の傾斜は、より長い波長ポンプ吸収がこの場所依
存汲み上げプロセスにおけるより長い波長信号放射と相
関することを示す。ポンプダイオード電流制御を使用し
てポンプ電力を完全に制御すると仮定して、他の項は温
度制御に１ｐｐｍ変動に対して０．１１℃より良くなる
ことを要求する少なくとも−９.0ｐｐｍ／℃を寄与す
る。これは半導体源に比べて因数３０の改良である。

【００９３】図１０の実施例は温度依存性に関して他の
既知の源に比べて既に大きな改良である一方で、この発
明の方法はその依存性を実質的に改良することができ
る。エルビウムの場合に、支配方程式の項は異なった符
号を有し、支配方程式のすべての項の合計がゼロになる
ようにポンプ波長およびポンプ電力の値を調整すること
を可能にする。しかしながら、方程式の項の各々を別個
に消すことが可能であったエルビウムと違って、支配方
程式の項はネオジムの場合にはそれほど容易に消されな
い。

【００９４】ネオジム添加ファイバに適用されるこの発
明の方法に従って、第１項および第３項は、数個のポン
プ電力について、図１１を使用しかつ熱係数はポンプ波
長またはポンプ電力で大きく変化しないと仮定して計算
される。したがって、図１１を使用して、これらの係数
の合計ができるだけ小さいポンプ波長を選択することは
可能である。図１１および図１２の曲線は準直線状であ
り、かつそれゆえに、支配方程式の項は本質的に固定さ
れることは注目される。対照的に、エルビウムの場合
に、すべての３つの項の制御はずっと大きく、値の範囲
を仮定することができる波長依存性項の制御は特に大き
い。上の測定値のすべては異なったファイバ、異なった
ファイバ長および異なったフィードバック状態、たとえ
ばファイバ源がジャイロスコープの光ループに結合され
るときについて異なるかもしれない。かかる測定値はポ
ンプ波長およびポンプ電力のための異なった最適の値に
つながるであろう。ジャイロスコープは源ファイバの信
号の発展を変えるかもしれない高レベルのフィードバッ
クを与え得る。しかしながら、示されたデータはエルビ
ウム添加超蛍光ファイバ源は９８０ｎｍポンプ帯域の高
電力（＞７５ｍＷ）単一縞ダイオードレーザで汲み上げ
られるとき、広い帯域幅（＞１５ｎｍ）で適当な源電力
（＞１ｍＷ）を与えるはずであることを示す。部分的に
または全面的にお互いを補償するために支配方程式の３
つの項を使用することは、エルビウム添加超蛍光ファイ
バ源が極端に安定しかつ他のいかなる希土類添加超蛍光
ファイバ源または従来の超ルミネセンスダイオードより
遙かに優れていることを許容する。ポンプ電力およびポ
ンプ波長の最適の組合せは１ｐｐｍ／℃未満の正味の依
存性を生み出すことが可能であり、それによって５ない
し１０の因数分最もよく知られたファイバ源の温度依存
性を改良する。

【００９５】この発明の方法はまた超蛍光ファイバ源以
外のファイバ源にも適用可能である。たとえば、それは
全ファイバ長に沿ってより大きな飽和度を創り出し、か
つより大きな電力を生み出すために光子を再循環させる
すべての他のファイバ源に適用され得る。たとえば、共
振ファイバレーザ（ＲＦＬ）はミラーがファイバ端部に
加えられるとき生み出される標準レーザであるが、波長
掃引ファイバレーザ（ＷＳＦＬ）がそれが空胴内の音響
−光変換器（ＡＯＭ）を含むという点で異なる。ＷＳＦ
ＬはＡＯＭからの逆反射第１オーダビームを利用して、
再循環光子の往復経路を完成する。ＡＯＭに印加される
ＦＭ信号はＷＳＦＬの波長をゆっくり掃引して集積シス
テムのための広帯域源を生み出す。ＷＳＦＬの詳細は１
９８９年９月６日に出願された特許出願連続番号第403,
703 号で開示され、この発明と同一の譲受人に譲渡され
る。この出願はこの引用により援用される。支配方程式
の３つの寄与に対応する３つの曲線を得ることによっ
て、この発明の方法をいかなる源にも適用することが可
能である。

【００９６】

【この発明のファイバ源のファイバ光ジャイロスコープ
（ＦＯＧ）への適用】この発明のファイバ源は光ファイ
バ回転センサのための広帯域光源として特に有用であ
る。この発明のファイバ源と組合せて有利に使用され得
る例証的な回転センサ１５００は図１３に例示される。
回転センサ１５００はサグナク干渉計を含み、これは矢
印によって表わされる光入力信号Ｉ_INを与える光源
（Ｓ）１５１０を含む。光源（Ｓ）は有利にこの発明
の、たとえば図１の実施例のファイバ源である。入力信
号Ｉ_INは好ましくは単一モード複屈折の光ファイバであ
る第１の光ファイバ１５１４に結合される。第１の光フ
ァイバ１５１４は回転センサ１５００への入力としての
役割をする第１の光ファイバセグメント１５２０を含
む。第１の光ファイバセグメント１５２０は第１の光方
向結合器（ＤＣ）１５２４への伝搬経路を与え、それは
回転センサ１５００の好ましい実施例において、２つの
ファイバを並置することによって構成される。かかる結
合器の詳細は米国特許第4,493,528 号、第4,536,058
号、第4,564,262 号および第4,601,541 号に開示され
る。これらの特許はこの引用により援用される。当業者
は集積光結合器もまた利用され得ることを理解するであ
ろう。

【００９７】引用された特許で述べられるように、第１
の光ファイバセグメント１５２０は第１の方向結合器１
５２４の１つのポートに接続される。第１の方向結合器
１５２４は第１の光ファイバ１５１４と第２の光ファイ
バ１５２８を並置することによって形成される。第２の
光ファイバ１５２８もまた、有利に複屈折の単一モード
光ファイバである。第２の光ファイバ１５２８は第１の
方向結合器１５２４の隣接するポートに接続された第２
の光ファイバセグメント１５３２を含む。

【００９８】第１の方向結合器１５２４は２つの付加的
なポートを有し、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。

【００９９】回転センサ１５００の好ましい実施例にお
いて、第１の方向結合器１５２４は、第１の光ファイバ
セグメント１５２０で光源１５１０から第１の方向結合
器１５２４の方向へ伝搬する光エネルギーの約５０％が
第３の光ファイバセグメント１５４０に直接透過され、
かつ光エネルギーの約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成される。第１の方
向結合器１５２４は、第３の光ファイバセグメント１５
４０で第１の方向結合器１５２４の方向へ伝搬する光エ
ネルギーが第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で２方向であることを理解しなけ
ればならない。

【０１００】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（Ｔ）１５５０によって終端に
される。第１の光吸収ターミネータ１５５０は、実質的
にいかなる光も第１の方向結合器１５２４へ方向へ戻っ
て反射されないように、第４の光ファイバセグメント１
５４４からその上に入射される実質的にすべての光エネ
ルギーを吸収する。

【０１０１】第３の光ファイバセグメント１５４０は、
第１の方向結合器１５２４から偏波器（Ｐ）１５６０へ
の伝搬経路を与える。当業者は偏波器はそれがある型の
位相誤差を低減するという点で有利であることを認識す
るであろう。もし偏波器が使用されなければ、位相誤差
の低減は米国特許第4,529,312 号および米国特許第4,63
4,282 号で述べられるように、不偏波光の使用によって
達成されるかもしれない。これらの特許はこの引用によ
り援用される。偏波器は多数の異なる実施例に従って構
成されることが可能であり、米国特許第4,386,822 号に
従って有利に構成される。この特許はこの引用により援
用される。偏波器１５６０は、第３の光ファイバセグメ
ント１５４０から偏波器１５６０へ入射される光が第５
の光ファイバセグメント１５６４上の偏波器１５６０か
ら出力されるように、第５の光ファイバセグメント１５
６４にさらに接続される。当業者に既知であるように、
第１の光ファイバ１５１４のような単一モード光ファイ
バは、第１および第２の直交の偏波モードで典型的に光
を伝搬する。偏波器１５６０は、偏波器１５６０から離
れて第５の光ファイバセグメント１５６４で伝搬する光
が実質的に第１の偏波モードのみにある光（つまり偏波
された光）を含むように、２つの偏波モードのうちの１
つ（たとえば第２の偏波モード）の光を遮るために動作
する。

【０１０２】偏波器１５６０からの偏波された光は、第
５の光ファイバセグメント１５６４を通って第２の方向
結合器（ＤＣ）１５７０のポートに伝搬する。第２の方
向結合器１５７０は、光を第１の光ファイバ１５１４の
第６の光ファイバセグメント１５７４に結合させる。第
６の光ファイバセグメント１５７４は、その周りをルー
プが回転させられる軸に一般に垂直な平面にあるループ
１５７８の中に形成される。第６の光ファイバセグメン
ト１５７４は、こうしてループ１５７８を閉じる第２の
方向結合器１５７０の隣接するポートに戻る。第１の光
ファイバ１５１４は第２の方向結合器１５７０から延長
して第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）によって終端にされ、光検出器（Ｄ）
１６００は第２の光ファイバセグメント１５２８の光エ
ネルギーの強度を検出し、したがってループ１５７８か
ら結合された光エネルギーの強度を検出する。検出器１
６００は検出された強度に応答するライン１６０４上の
電気出力信号を与える。当該技術分野において周知であ
るように、ループ１５７８から結合された光エネルギー
の強度は２つの逆伝搬光信号の関連した位相に依存し、
それは順にループ１５７８の回転率に部分的に依存す
る。

【０１０３】検出された光強度を回転の大きさおよび角
度方向を表わす出力信号に変換するための様々な器具お
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4,487,330 号、米国特許第
4,634,282 号および米国特許第4,637,722 号で開示され
る。これらの特許はこの引用により援用される。たとえ
ば、駆動および検出電子工学回路ブロック１６１０が例
示される。駆動および検出電子工学回路ブロック１６１
０は、位相変調器（Ｍ）１６１８に結合されるライン１
６１４上の電気出力信号を与える。位相変調器１６１８
はループ１５７８の中心から分かれた位置で第６の光フ
ァイバセグメント１５４７に結合される。駆動および検
出電子工学回路ブロック１６１０は、２つの逆伝搬する
光信号Ｉ _CWおよびＩ_CCWの位相を変調するために選択さ
れる特定の周波数で位相変調器１６１８を駆動する。駆
動および検出電子工学回路ブロック１６１０は、ライン
１６０４上の光出力信号の電気表示を同期式に復調する
ために特定の周波数を使用して、ループ１５７８の回転
率を表示するライン１６３０上の電気出力信号を与え
る。回転センサ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4,487,330 号、米国特許第4,634,282 号および米国特
許第4,637,722 号で発見され得る。これらの特許はこの
引用により援用される。図１３に描かれた回転センサは
閉のループ構成にあるが、米国特許第4,779,975 号また
は１９８９年８月３１日に出願された連続出願第401,22
5 号または１９９０年８月９日に出願された連続出願第
565,255 号に述べられているような他の構成も使用され
得ることは理解されるであろうし、これらはこの出願の
譲受人に譲渡される。この特許およびこれらの特許出願
はこの引用により援用される。

【０１０４】広帯域光ファイバ源の様々な実施例が上に
述べられてきた。この発明はこれらの特定の実施例に関
連して述べられてきたが、説明はこの発明の例示であっ
て、制限することを意図するものではない。特に、この
発明のファイバ源は他のいかなる希土類の適当な材料を
も添加され得る。この発明の方法はまた、共振ファイバ
レーザおよび波長掃引ファイバレーザのような他の源と
共にファイバ以外の光導波路を含む源にも適用可能であ
る。様々な他の修正および応用は、前掲の特許請求の範
囲に規定されるこの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起こるかもしれない。

【図面の簡単な説明】

【図１】逆方向単一パス構成で動作されるエルビウム添
加ファイバを含むこの発明の広帯域源の例証的実施例を
例示する図である。

【図２】図１の広帯域源のためのポンプ電力に対する順
方向電力および逆方向における電力出力のグラフであ
り、ファイバは２．４ｍ長、エルビウム濃度は１６００
ｐｐｍおよびポンプ波長は約９８０ｎｍである。

【図３】逆方向信号、単一パス構成で動作される図１の
実施例に対する様々なポンプ波長およびポンプ電力レベ
ルについての２５℃から７５℃の範囲で５℃変化毎に測
定されたｐｐｍ／℃で表わされた固有熱係数のグラフで
ある。

【図４】図１の実施例に対する様々なポンプ波長につい
ての吸収されたポンプ電力に対する平均波長のグラフで
ある。

【図５】ポンプ電力の低い値に対する図４のグラフの拡
大部分である。

【図６】２つのポンプ電力レベルについてのポンプ波長
に対する平均波長のグラフである。

【図７】信号波長の極値をポンプ電力、温度および温度
に対するポンプ電力の関数で決定するために、この発明
の方法の主要ステップを例示するフローチャートであ
る。

【図８】支配方程式の第２項はゼロに等しく、かつポン
プ波長およびポンプ電力は支配方程式の他の２つの項を
最小限にするように選択されるこの発明の主要ステップ
を例示するフローチャートである。

【図９】支配方程式の項の１つはゼロであり、かつポン
プ電力およびポンプ波長は他の２つの項の合計がゼロか
またはできるだけ小さいかのどちらかであるように選択
されるこの発明の方法のステップを要約する図である。

【図１０】順方向単一パス構成で動作されるネオジム添
加ファイバを含むこの発明の広帯域源の例証的実施例を
例示する図である。

【図１１】２つのポンプ電力レベルについて、および．
０２ｗｔ％Ｎｄ₂Ｏ₃を添加されかつリンを同時添加さ
れる１６．５ｍ長のファイバに対して、二重パス順方向
信号構成で動作されるＮｄ：シリカファイバを使用する
この発明のファイバ源についてのポンプ波長上での平均
波長の依存性を例示するグラフを示す図である。

【図１２】二重パス順方向信号構成で動作されるＮｄ：
シリカを使用するこの発明のファイバ源についてポンプ
波長上の平均波長の依存性を例示するグラフを示す図で
ある。

【図１３】この発明のファイバ源を使用する例証的な回
転センサを表わす図である。

【符号の説明】

１００広帯域源１１０活性媒体１２８ミラー１３０ポンプ源１５０検出器

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年８月１６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/083 (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、124─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 (72)発明者ビヨン・ユーン・キム大韓民国、ソウル、ソンパ区、ジャムシルドン、101、ウー・スン・アパートメンツ、 13─905 (72)発明者ハーバート・ジェイ・ショウアメリカ合衆国、94305 カリフォルニア州、スタンフォード、アルバラド・ロウ、 719

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】放射スペクトルを有する広帯域源であっ
て、前記放射スペクトルは平均波長を有し、前記源（１
００）は活性媒体（１１０）を含み、活性媒体はポンプ
源（１３０）によってポンプ波長で汲み上げられて前記
活性媒体（１１０）が放射線を放射することを引き起こ
し、前記広帯域源（１００）は、ポンプ源（１３０）のポンプ電力およびポンプ波長は以
下の支配方程式に従って、活性媒体（１１０）の固有熱
依存性、平均波長のポンプ電力依存性および平均波長の
ポンプ波長依存性の合計を最小限にするように選択さ
れ、【数１】この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源（１３０）のポンプ電力で
あり、さらにｌ_pはポンプ源（１３０）によって放射さ
れる光の波長であることを特徴とする、広帯域源。
【請求項２】前記ポンプ源（１３０）はレーザダイオ
ードである、請求項１に記載の広帯域源。
【請求項３】前記活性媒体（１１０）はレーザ発光材
料を添加された単一モードファイバを含む、請求項１ま
たは２に記載の広帯域源。
【請求項４】前記レーザ発光材料はエルビウムまたは
ネオジムを含む、請求項３に記載の広帯域源。
【請求項５】ポンプ波長およびポンプ電力は関数＜ｌ
_s＞＝ｌ（Ｔ、Ｐ、ｌ_p）の極値を得るように選択され
る、先行する請求項のいずれか１つに記載の広帯域源。
【請求項６】ポンプ波長およびポンプ電力は支配方程
式の項の１つがゼロであり、かつ他の２つの項の合計が
できるだけ小さくなるように選択される、先行する請求
項のいずれか１つに記載の広帯域源。
【請求項７】ポンプ波長およびポンプ電力は前記他の
２つの項ができるだけゼロに近いように選択される、請
求項６に記載の広帯域源。
【請求項８】ポンプ波長およびポンプ電力は前記他の
２つの項が実質的に等しくかつ反対の符号であるように
選択される、請求項６に記載の広帯域源。
【請求項９】ポンプ波長はポンプ源（１３０）のピー
クポンプ吸収率に等しいかまたはそれに近いように選択
される、先行する請求項のいずれか１つに記載の広帯域
源。
【請求項１０】前記ピークポンプ吸収率波長は９８０
ｎｍに近い、請求項９に記載の広帯域源。
【請求項１１】ポンプ波長およびポンプ電力は温度に
対する平均波長の総変動が１０ｐｐｍ／℃未満であるよ
うに選択される、先行する請求項のいずれか１つに記載
の広帯域源。
【請求項１２】ポンプ波長およびポンプ電力は温度に
対する平均波長の総変動が約１ｐｐｍ／℃であるように
選択される、請求項１１に記載の広帯域源。
【請求項１３】光ファイバをさらに含み、光ファイバ
は入力および出力端部を有し、かつ前記光ファイバの前
記入力端部の近くに位置づけられた少なくとも１つの反
射器を有する、先行する請求項のいずれか１つに記載の
広帯域源。
【請求項１４】前記反射器は前記放射された放射線に
実質的に反射性であり、かつ前記ポンプ光に実質的に透
過性であるか、または前記反射器は前記放射された放射
線に実質的に透過性であり、かつ前記ポンプ光に実質的
に反射性である、請求項１３に記載の広帯域源。
【請求項１５】前記反射器はダイクロイックミラーで
ある、請求項１３に記載の広帯域源。
【請求項１６】逆方向単一パス構成または順方向単一
パス構成または逆方向二重パス構成または順方向二重パ
ス構成をさらに含む、先行する請求項のいずれか１つに
記載の広帯域源。
【請求項１７】共振ファイバレーザをさらに含む、先
行する請求項のいずれか１つに記載の広帯域源。
【請求項１８】波長掃引ファイバレーザをさらに含
む、先行する請求項のいずれか１つに記載の広帯域源。
【請求項１９】２つの偏波モードを有し、前記広帯域
源（１００）によって照らされる光ファイバループを含
む周囲効果を検知するための光センサにおける、先行す
る請求項のいずれか１つに記載の広帯域源（１００）の
用途。
【請求項２０】前記周囲効果は回転である、請求項１
９に記載の広帯域源（１００）の用途。
【請求項２１】前記センサは干渉計を含む、請求項１
９に記載の広帯域源（１００）の用途。
【請求項２２】活性媒体（１１０）を含み、かつ放射
スペクトルを有する広帯域源（１００）の温度依存性を
安定化するための方法であって、ポンプ源（１３０）によってポンプ波長で活性媒体（１
１０）を汲み上げ、前記活性媒体（１１０）が放射線を
放射することを引き起こすステップを含み、前記放射ス
ペクトルは平均波長によって特徴づけられ、さらに温度
に対する平均波長の総変動を最小限にするように前記ポ
ンプ源（１３０）のポンプ電力およびポンプ波長を選択
するステップとを含み、前記ポンプ電力および前記ポン
プ波長は活性媒体（１１０）の固有温度依存性、平均波
長のポンプ電力依存性および平均波長のポンプ波長依存
性の合計を最小限にし、前記合計は以下のように規定さ
れ、【数２】この式において、＜ｌ_s＞は信号の平均波長であり、Ｔ
は温度であり、Ｐはポンプ源（１３０）のポンプ電力で
あり、さらにｌ_pはポンプ源（１３０）によって放射さ
れる光の波長である、方法。
【請求項２３】希土類から活性媒体（１１０）の活性材
料を選択するステップをさらに含む、請求項２２に記載
の広帯域源（１００）の温度依存性を安定化させるため
の方法。
【請求項２４】活性媒体（１１０）を支持するための
光ファイバを選択するステップをさらに含む、請求項２
２または２３に記載の広帯域源（１００）の温度依存性
を安定化させるための方法。
【請求項２５】ポンプ波長がほぼポンプ源（１３０）
ピークポンプ吸収率であるか、またはそれに近いように
選択するステップをさらに含む、先行する請求項のいず
れか１つに記載の広帯域源（１００）の温度依存性を安
定化するための方法。