KR0126142B1

KR0126142B1 - 광대역 광 파이버 레이저

Info

Publication number: KR0126142B1
Application number: KR1019890702236A
Authority: KR
Inventors: 카렌 리우; 병 와이. 김; 마이클 제이. 에프. 디고네트; 케네쓰 에이. 훼슬러; 허버트 제이. 쇼
Original assignee: .; 더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1997-12-26
Anticipated expiration: 2009-03-30
Also published as: WO1989009506A1; DE68928761D1; EP0366756B1; EP0366756A4; KR900701066A; JP2668588B2; EP0366756A1; JPH04501037A; DE68928761T2; CA1313404C

Abstract

요약없음

Description

광대역 광 파이버 레이저

제1도는 본 발명의 공진 레이저 광원과 조합하여 사용될 수 있는 것과 같은 광 파이버 회전 감지기의 개략도.

제2도는 본 발명의 공진 캐비티 광 파이버 레이저의 한 실시예의 개략도.

제3a-3o 도는 파이버 레이저가 파이버 레이저의 펌프 가변 동조 범위 밖의 광 펌프 신호로 펌프될 때 스펙트럼 라인폭의 확장을 도시한 여러가지 입력 펌프 파장에 대한 제2도의 공진 캐비티 광 파이버 레이저에 의해 발생된 출력 스팩트럼의 그래프도.

제4도는 레이저 출력 대역폭 Δλ_L대 펌프 파장 λ_P의 그래프도.

제5도는 레이저 출력 평균 파장 λL_AVG대 펌프 파장 λ_P의 그래프도.

제6도는 엔벨로프를 구성하는 종방향 모드를 도시한 레이저 출력 스펙트럼 엔벨로프의 그래프도.

제7도는 본 발명의 레이저 광 파이버의 출력에 대한 가시성(코히어런스의 정도) 대 광 경로차의 그래프도.

제8도는 광 파이버 루프로 구성된 공진 캐비티를 형성하는데 멀티플렉싱 결합기를 사용한 본 발명의 다른 실시예의 개략도.

제9도는 한 쌍의 단부 밀러와 조합하여 멀티플렉싱 결합기를 사용한 본 발명의 다른 실시예의 개략도.

제10도는 단일 광 파이버내의 공진 캐비티를 형성하기 위해서 한쌍의 멀티플렉싱 결합기를 사용한 본 발명의 다른 실시예의 개략도.

제11도는 회전 감지기가 고정일 때 제1도에 따른 실험적 회전 감지기로부터의 전기적 출력 신호의 스펙트럼 주사로, 공진 캐비티 레이저가 회전 감지기를 위한 광대역 신호원으로서 사용될 때 제1도의 회전 감지기로부터 제2도의 공진 캐비티 레이저까지 광 궤환 신호의 효과를 도시한 것이다.

제12도는 회전 감지기가 고정일 때 및 신호원으로부터의 광 출력이 차단될 때 제1도의 회전 감지기로부터의 전기적 출력 신호의 스펙트럼 주사로, 스펙트럼 주사는 검출된 광 에너지의 부재시에 전자 구동 및 검출 회로에 의해 발생된 전자적 잡음을 도시한 것이다.

제13도는 페러데이 아이솔레이터를 포함하도록 수정된 제1도의 회전 감지기를 도시한 것이고 캐비티내에 위상 변조기를 포함하도록 수정된 제2도의 공진 캐비티 파이버 레이저를 도시한 것으로, 공진 캐비티 파이버 레이저는 회전 감지기에 광대역 광 입력 신호를 공급하고 있다.

제14도는 레이저의 공진 캐비티내의 위상 변조기의 동작에 의한 변조된 광궤환 신호의 억제에 의해 발생된 감소된 전기적 잡음 레벨을 도시한 제13도의 회전 감지기로부터의 전기적 출력 신호의 스펙트럼 주사.

제15도는 공진 캐비티 레이저의 공진 캐비티내의 위상 변조기에 구동 신호가 인가되지 않고 페러데이 아이솔레이터가 없는 제13도의 회전 감지기의 전기적 출력의 스트립 차트 기록으로, 회전 감지기가 고정인 동안에 무작위 잡음 및 전기적 출력 신호의 드리프트를 도시한 것이다.

제16도는 공진 캐비티내의 위상 변조기에 구동 신호가 인가되고 페러데이 아이솔레이터가 없는 제13도의 회전 감지기로부터의 전기적 출력 신호의 스트립 차트 기록으로, 변조된 광 궤환에 의해 발생된 전기적 출력 신호에서의 잡음을 감소시키는데 있어서 위상 변조기의 효과를 도시한 것이다.

관련 기술의 설명

광 파이버에 대한 출원이 증가되고 있다. 한 이러한 출원은 2개의 광 신호가 도입되고 광학 루프 주위에 역전파하게 되는 광 파이버의 루프로 구성된 광 파이버 회전 감지에 관한 것이다.

이러한 회전 감지기는 예를 들어 미합중국 특허 제4,410,275호, 동 제4,456,377호, 동 4,487,330호, 동 4,634,282호 및 동 제4,637,722호에 기술되어 있다. 이러한 회전 감지기 및 다른 광 파이버 응용을 위해, 안정하고 양호하게 제어된 광원을 갖는 것이 바람직하다.

종래 기술의 레이저는 전형적으로 가장 좁은 대역의 광 파장내의 레이저로부터 광 에너지 출력을 집중시키고 비교적 긴 시간 코히어런스 길이(temporal coherence length)를 갖는다. 또한, 소정의 레이저는 파장의 범위에 걸쳐서 가변파장이다. 예를 들어, L. Reekie등은 일렉트로닉스 레터즈(ELFCTRONICS LETTERS), 1987년 9월 24일자 제23권, 20호 페이지 1076-1077에서의 Er³⁺-도프된 “단일-모드 파이버 레이저의 다이오드 -레이저-펌프 동작(DIODE-LASER-PUMPED OPERATION OF AN Er³⁺DOPED SINGLE -MODE FIBRE LASER)”에서 파이버 길이를 변화시킴으로써 에르븀(erbium) 도프 파이버의 동조 범위를 확장하는 것에 관해 기술하였다. C. A. Millar 등의 일렉트로닉스 레터즈, 1987년 7월 30일자 23권 16호에 페이지 856-866에서의 “807nm파장으로 펌프된 에르븀-도프 파이버 레이저의 저-임계 CW동작 “LOW-THRESHOLD CW OPERATION OF AN ERBIUM-DOPED FIBRE LASER PUMPED AT 807nm WAVELENGTH”에서는 저-임계 에르븀-도프 광 섬유는 약 1nm FWHM(반 크기의 완전 폭)의 라인폭을 갖는 것으로 기술되어 있다. Laurence, Reekie 등의 광파 기술 잡지“(JOURNAL OF LIGHT WAVE TECHNOLOGY)”LT-R권, 7호 1985년 7월자 페이지 956-959에 Nd³⁺-도프 단일-모드 파이버 레이저의 동조 특성 및 Er³⁺-도프 단일 -모드 파이버 레이저의 동조 특성이 기술되어 있다. R. J. Mears등의 일렉트로닉스 레터즈 1985년 8월 15일자 21권, 17호의 “네오디뮴-도프 실리카 단일-모드 파이버 레이저(NEODYMIUM-DOPED SILICA SINGLE-MODE FIBRE LASERS)”에서, 1078nm 파장에서 2nm의 FWHM 라인폭을 갖는 다이(dye)-레이저-펌프 파이버 링-캐비티 레이저가 기술되어 있다. David N. Payne의 OFC/IOOC '87 1987년 1월 21자 소개 논문 WI1에서의 특수 파이버 및 그들의 사용(Special fibers and their uses)”에서 80nm 범위에 걸쳐서 가변 파장인 매우 긴(300nm) 레이저에서의 희토류 및 전이-금속-도프 단일-모드 파이버의 사용이 기술되어 있다.

소정의 광 파이버 회전 감지기와 같은 소정의 적용을 위해, 짧은 시간 코히어런스 길이를 갖는 광대역(broadband)광 에너지원이 바람직하다. 광 파이버 회전 감지기에서 광대역 광 에너지원을 사용하면, 예를 들어, 케르 효과(kerr effect)에 의해 발생된 위상 오차를 감소시킬 수 있다는 것이 제안되었다. 또한 광대역광 신호는 코히어런트 후방 산란[즉, 레일리 후방 산란(Rayleigh backscattering)] 및 루프내의 편광 교차-결합에 의해 발생된 루프(178)로 부터의 조합된 광 신호에서의 위상 오차를 감소시키는데 유리하게 사용될 수도 있다. 예를 들어, 모두 본 발명의 양수인에게 양도된, 미합중국 특허 제4,773,759호, 캐나다 특허 제1,227,660호, 및 유럽 특허 출원 제87308043.6호에 대응하는 1986년 9월 19일자 출원된 미합중국 특허 출원 제909,741호를 참조할 수 있다. 예를 들어, 이러한 광대역 광원은 초발광 다이오드 등을 포함한다. 모범적인 초발광 다이오드는 예를 들어 800 내지 850nm의 범위에서의 광파장으로 비교적 넓은 광학 라인 폭(예를 들어, 약 15nm)을 갖는다.

그러나, 주어진 전력 입력을 위해, 예를 들어 모범적인 초발광 다이오드는, 레이저와 비교할 때 적당한 양의 광 에너지를 제공하지 않는다. 한편, 공진 캐비티 레이저는 전형적으로 적당한 양의 전력을 제공하지만 비교적 좁은 라인 폭(예를 들어 5nm미만)을 갖는다.

공진 캐비티 레이저로 지금까지 제공되지 못한 비교적 넓은 라인 폭을 제공하지만 비교적 높은 전력 출력의 레이저를 제공하는 것이 바람직하다. 게다가, 전형적인 초발광 다이오드의 방출 파장의 온도 안정성은 많은 응용을 위해 만족되지 못하다는 것이 공지되어 있다. 또한 방출 파장이 넓은 온도 범위에 걸쳐서 안정한 것이 바람직하다.

최근에, Snitzer 등에게 허여된 미합중국 특허 제4,637,025호는 네오디뮴과 같이 선택된 활성 레이저 물질로 도포된 코어를 갖는 광 파이버를 포함한 초 방사 광원에 대해 기술하였다. Snitzer 등의 특허에서의 광 파이버는 선택된 활성 레이저 물질의 흡수 대역중의 한 대역내의 파장을 갖는 레이저 신호원으로부터의 광 에너지로 펌프된다. 펌프 에너지는 활성 레이저 물질에 의해 흡수되고 광자들은 활성 레이저 물질의 특성 방출 대역에서 방출된다. 방출된 광은 활성 레이저 물질의 방출 특성 및 파이버의 소정의 파장 의존 특성에 의해 결정된 주요 파장 주위에 분포된 파장을 갖는 낮은 코히어런스 광이다.

Snitzer 등이 기술한 장치는 광 출력을 발생시키기 위해서 초형광의 원리에 의존한다. 광 파이버의 출력 단부는 파이버에서 전방으로 이동하는 자연-방출 광이 파이버의 출력 단부로부터 방출되도록 비-반사로 특정적으로 구성된다. 파이버의 입력 단부는 파이버의 입력 단부를 향해 이동하는 소정의 광이 광 출력을 증가시키기 위해서 파이버의 출력 단부에 되 반사되도록 이색(dichroic) 반사기를 포함할 수 있다. Snitzer 등의 특허는 레이저 발진에 도움이 되는 상태가 증폭된 자연 방출에 의한 광 발생에 도움이 되는 상태가 보존되도록 존재하지 않는다는 것을 특정적으로 기술하였다. 그러므로, Snitzer 등의 특허의 원리는 파이버내의 레이저 발진이 출력 신호에서의 바람직하지 않은 라인-좁음을 발생시킨다는 통상적인 지식과 일치된다.

본 기술분야에 통상의 지식을 가진자는 광 파이버 광원내의 초형광의 사용은 발진 광이 출력 파장에서의 발광을 더욱 유도시키는 공진 캐비티 레이저에 의해 얻을 수 있는 만큼 높게 광 신호 출력 신호를 제공하지 않는다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 공진 캐비티 레이저의 사용이 광대역 광원을 필요로 하는 그 응용을 위해 바람직하지 못하게 좁은 라인폭을 갖는 광 출력 신호를 발생시켜서, 광대역 광원으로서 사용하기에 불리한 공간 캐비티 레이저를 이루게 한다는 것이 이미 알려져 있다.

발명의 요약

본 발명은 공진 레이저 캐비티를 제공하기 위해서 광 파이버 구조를 양호하게 사용하는 광대역 광원으로 구성된다. 이전에 공지된 공진 레이저와는 다르게, 본 발명의 공진 레이저는 레이저가 광 파이버 회전 감지기 및 광대역 광원을 필요로 하는 다른 시스템과 조합하여 사용될 수 있도록 충분히 넓은 라인 폭을 갖는 광 출력 신호를 제공한다. 본 발명은 특히 광 출력 세기가 인가된 입력 신호를 위한 유사한 세기를 갖는 다른 광대역 소오스에 비교하여 상대적으로 크다는 의미에서 유리하다. 또한, 방출 파장의 온도 안정성이 상당히 개량된다.

본 발명은 단일 모드 광 파이버로 양호하게 구성된 레이징 매체를 갖는 공진 레이저로 구성된다. 공진 캐비티는 레이징 매체에의 펌프 레이저의 인가에 응답하여 방출 스펙트럼에서의 광을 방출한다. 방출 스펙트럼은 펌프 에너지의 제1파장에서의 제1대역폭 및 펌프 에너지의 제2파장에서의 제2대역폭을 갖는데, 제2대역폭은 제1대역폭보다 상당히 크다. 공진 캐비티는 최소한 수천개의 종방향 모드를 지탱하기 위한 크기로 되고 그 모드중의 최소한 몇개의 모드는 제1대역폭 외부에 있지만 제2대역폭내에 있는 파장에 대응한다. 레이저는 예를 들어, 제2파장에서 레이징 매체를 펌프하기 위한 레이저 다이오드인 펌프 에너지원을 포함한다. 양호한 실시예에서, 펌프 에너지 파장은 페이징 매체의 흡수 대역의 피크 흡수 파장과 일치하지 않는다.

본 발명의 공진 레이저는 다양한 구성으로 수행될 수 있다. 한 이러한 구성에서, 공진 캐비티는 제1 및 제2단부를 갖고 있고 그 사이의 광을 반사시키기 위해서 제1 및 제2단부에 인접하여 배치된 각각의 제1 및 제2밀러를 갖고 있는 광 파이버에 의해 형성된다.

밀러중의 최소한 하나의 밀러는 방출된 광의 일부가 밀러를 통과하도록 제2대역폭내의 파장을 갖는 방출된 광에 부분적으로 전송된다. 다른 구성에서, 공진 캐비티는 레이징 광 파이버의 루프에 의해 형성된다. 멀티플렉싱 결합기는 루프로부터의 광 및 루프로의 광을 결합시킨다. 펌프 에너지는 루프 주위에서 한번만 전파하고, 방출된 광은 루프 주위에 순환하고 각각의 순환시에 적은 부분 출력이 있게 된다. 또다른 실시예에서, 공진 캐비티는 레이징 광 파이버, 및 광 에너지 원에 결합된 제2광 파이버로 구성된다. 멀티플렉싱 결합기는 제1단부와 제2단부사이의 위치에서의 레이징 파이버에 제2파이버를 결합시키고, 레이징 광 파이버로부터 제2광 파이버까지의 방출된 광을 결합하는 동안 제2파이버로부터의 펌프 에너지를 레이징 광 파이버에 결합한다. 제1 및 제2밀러는 각각 레이징 광 파이버의 제1 및 제2단부에 인접하여 배치되고, 방출된 파장으로 밀러상에 입사된 광의 거의 모두는 반사된다. 또다른 실시예에서, 공진 캐비티는 그 사이에 중간 부분을 갖는 제1 및 제2루프를 형성하는 레이징 광 파이버로 구성된다. 파장 선택 멀티플렉싱 결합기는 펌프 광이 다중으로 이를 통과하지 않고 레이징 파이버를 횡단하도록 레이징 파이버에 펌프 에너지를 결합시키는데 사용된다. 멀티플렉싱 결합기의 파장 선택 특성은 방출된 광이 레이징 파이버의 중간 부분을 다수회 통과하도록 된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 공진 레이저는 파장 흡수 대역을 갖는 레이저 물질로 형성된 광 파이버로 구성된다. 레이저 물질은 펌프 광으로 펌프된 광에 응답하여 광을 방출한다. 방출된 광의 파장은 최소한 하나의 최소 또는 최대를 갖는 특성 곡선에 따라 흡수 대역을 통하여 펌프 광의 파장에 따라 변화한다. 펌프광원은 최소 또는 최대중의 하나에 대응하는 파장으로 광을 발생시킨다. 펌프 광의 파장은 광대역 방출을 발생시키기 위해 양호하게 선택된다.

간섭계에 광대역 광을 공급하는 방법은 레이징 매체가 광을 방출하게 하기 위해 펌프 파장으로 레이저 매체를 펌프하는 단계를 포함한다. 펌프 파장은 선택된 대역폭을 갖는 불균일하게 넓혀진 방출을 제공하도록 선택된다. 방출의 부분은 스펙트럼 엔벨로프(envelope)를 형성하는 이산 파장으로 광의 방출을 유도하기 위해서 반복적으로 레이징 매체를 통하여 통과된다. 이 스펙트럼 엔벨로프는 스펙트럼 엔벨로프내의 유효하게 연속적인 스펙트럼을 제공하기 위해서 충분한 수의 이산 파장으로 채워지고, 방출은 상기 간섭계와 결합된다.

본 발명의 레이저는 파이버 광 감지기에 사용하기에 특히 유리하다. 감지기는 2개의 편광 모드를 갖는 광 파이버로 구성된 루프로 구성되는데, 그 각각은 상이한 속도로 광을 전파하여, 루프를 횡단하는 광에 2개의 모드를 위한 유효 광 경로차를 제공한다. 광 파이버로 형성된 레이징 매체로 구성된 레이저는 광을 루프에 공급하기 위해 결합된 공진 캐비티를 포함한다. 광 경로 길이 차는 레이저의 공진 캐비티의 길이와 공진 캐비티를 통하여 광에 의해 이동된 광 경로의 굴절율의 곱보다 적다. 레이저는 최소한 수천개의 종방향 모드를 지탱하기 위한 크기로 된다. 양호하게는, 레이저 방출은 제1범위의 평균 파장내에서 비교적 좁은 제2범위의 파장내에서 비교적 넓은 대역폭을 갖고 있고, 펌프 파장은 레이징 매체가 제2 범위의 평균 파장내의 평균 파장으로 광을 방출하게 하도록 선택된다. 레이징 매체는 양호하게 펌프 파장의 변화에 거의 민감하지 못한 파장의 제2범위내의 평균 파장을 갖는다.

본 발명의 한 실시예에서, 공진 캐비티 레이저는 캐비티내의 광의 위상 및 주파수를 변조하기 위해서 캐비티내에 위상 변조기를 포함한다. 공진 캐비티내의 위상 변조는 회전 감지기로부터 공진 캐비티 레이저까지의 변조된 광 궤환에 의해 발생된 감지 회전 신호에서의 오차를 실질적으로 감소시키도록 동작한다. 패러데이 아이솔레이터(isolator)는 또한 회전 감지기로부터 공진 캐비티 레이저까지 궤환된 변조 광 에너지를 감쇠시키기 위해서 공진 캐비티 레이저와 회전 감지기 사이의 광 경로에 유리하게 삽입될 수 있다.

본 발명은 예를 들어, 광 파이버 회전 감지기를 위한 광대역 광원으로서 특히 유용한 광 파이버 공진 레이저로 구성된다. 본 발명의 레이저와 조합하여 유리하게 사용될 수 있는 모범적인 회전 감지기(100)이 제1도에 도시되어 있다. 회전 감지기(100)은 화살표로 나타낸 광 입력 신호 I_IN을 제공하는 광원(S)(110)을 포함하는 사그낙(Sagnac) 간섭계로 구성된다. 입력신호 I_IN을 양호하게 단일-모드 복굴절(birefringent) 광 파이버가 되는 제1광 파이버(114)에 결합된다. 제1광 파이버(114)는 회전 감지기(100)으로의 입력으로서의 작용하는 제1광 파이버 세그멘트(120)을 포함한다. 제1광 파이버 세그멘트(120)은 제1광 방향성 결합기(124)에 전파 경로를 제공하는데, 회전 감지기(100)의 양호한 실시예에서, 가지런히 놓인 2개의 파이버에 의해 구성된다. 이러한 결합기는 미합중국 특허 제4,493,528, 동 제4,536,085호, 동 제4,564,262호, 및 동 제4,601,541호에 상세히 기술되어 있다. 본 기술분야에 숙련된 사람들은 집적된 광 결합기가 또한 사용될 수도 있다는 것을 알 것이다.

참고가 되는 특허에서 기술한 바와 같이, 제1광 파이버 세그멘트(120)은 제1 방향성 결합기(124)의 한 포트에 접속된다. 제1방향성 결합기(124)는 제2광 파이버(128)을 제1광 파이버(114)와 가지런히 놓음으로써 형성된다. 제2광 파이버(128)은 또한 유리하게 복굴절 단일-모드 광 파이버로 된다. 제2광 파이버(128)은 제1방향성 결합기(124)의 인접 포트에 접속된 제2광 파이버 세그멘트(132)를 포함한다.

제1방향성 결합기(124)는 2개의 부수적인 포트를 갖고 있는데, 그 중 하나는 제3광 파이버 세그멘트(140)에 접속되고 그중 다른 하나는 제4광 파이버 세그멘트(144)에 접속된다.

회전 감지기(100)의 양호한 실시예에서, 제1방향성 결합기(124)는 광원(110)으로부터 제1광 파이버 세그멘트(120)에서 제1방향성 결합기(124)를 향해 전파하는 광 에너지의 약 50%가 제3광 파이버 세그멘트(140)에 직접 송신되고 광 에너지의 약 50%가 제4광 파이버 세그멘트(114)에 결합되도록 구성된다. 제1방향성 결합기(124)는 제3광 파이버 세그멘트(140)에서 제1방향성 결합기(124)를 향해 전파하는 광 에너지가 제1광 파이버 세그멘트(120)과 제2광 파이버 세그멘트(128)사이에 거의 2등분된다는 의미에서 양방향성이다.

제4광 파이버 세그멘트(144)는 제1광-흡수 종단기(terminator)(T)(150)에 의해 종료된다. 제1광-흡수 종단기(150)은 광이 거의 제1방향성 결합기(124)를 향해 되 반사되지 않도록 제4광 파이버 세그멘트(144)에서 부터 이것에 입사한 모든 광 엔지를 거의 흡수한다.

제3광 파이버 세그멘트(140)은 제1방향성 결합기(124)로부터 편광기(P)(160)까지의 전파 경로를 제공한다. 본 기술분야에 숙련된 사람들은 편광기가 이것이 소정의 형태의 위상 오차를 감소시킨다는 의미에서 유리하다는 것을 알 것이다. 편광기가 사용되지 않는 경우에, 위상 오차의 감소는 미합중국 특허 제4,529,312호 및 동 제4,634,282호에서 기술된 바와 같이, 비편광된 광의 사용을 통하여 달성될 수 있다. 편광기는 여러가지 상이한 실시예에 따라서 구성될 수 있고 미합중국 특허 제4,386,822호에 따라 유리하게 구성된다.

편광기(160)은 제3광 파이버 세그멘트(140)으로부터 편광기(160)에 입사한 광이 제5광 파이퍼 세그멘트(164)상의 편광기(164)에도 접속된다. 본 기술분야에 숙련된 사람에게 공지된 바와 같이, 제1광 파이버(114)와 같은 단일-모드 광 파이버는 전형적으로 제1 및 제2직교 편광 모드로 광을 전파한다. 편광기(160)은 편광기(160)으로부터 떨어진 제5광 파이퍼 세그멘트(164)에서 전파하는 광이 실질적으로 제1편광 모드만에서의 광(즉, 편광된 광)으로 구성되도록 2개의 편광 모드중의 한 모드(예를 들어, 제2편광 모드)에서의 광을 차단하고 다른 편광 모드(예를 들어, 제1편광 모드)에서 전파하는 광을 송신하도록 동작한다.

편광기(160)으로부터의 편광된 광은 제5광 파이퍼 세그멘트(164)를 통해 제2방향성 결합기(DC)(170)의 포트에 전파한다. 제2방향성 결합기(170)은 광을 제1광 파이버(114)의 제6광 파이퍼 세그멘트(174)에 결합시킨다. 제6광 파이퍼 세그멘트(174)는 루프가 주위에 회전될 때 축에 거의 수직인 평면내에 놓인 루프(178)내로 형성된다. 제6광 파이퍼 세그멘트(174)는 루프(178)을 패쇄시키는 제2방향성 결합기(170)의 인접 포트에 복귀한다. 제1광 파이버 세그멘트(114)는 제7광 파이퍼 세그멘트(190)을 형성시키기 위해서 제2방향성 결합기(170)으로 부터 연장한다. 제7광 파이퍼 세그멘트(190)은 이것이 제2방향성 결합기(170)을 향해 반사되지 않도록 제7광 파이퍼 세그멘트(190)에서 전파하는 광을 흡수하는 제2광 흡수 종단기(T)(194)에 의해 종료된다.

제2방향성 결합기(170)은 상술한 바와 같이, 제1방향성 결합기(124)의 구성과 유사한 방식으로 양호하게 구성된다. 제5광 파이퍼 세그멘트(164)로부터 제2방향성 결합기(170)에 임사한 편광된 광은 각각 시계 방향과 반시계 방향으로 루프(178) 주위의 제6광 파이퍼 세그멘트(174)에서 전파하는 화살표 I_CW및 I_CCW로 표시된 2개의 거의 동일한 부분으로 나누어진다. 2개의 역전파 광 부분 I_CW및 I_CCW는 화살표 I_OUT으로 표시된 루프 광 출력 신호를 제공하기 위해서 제2방향성 결합기(170)에서 재조합된다. 2개의 역전파 광 신호로부터 조합된 광 에너지는 편광기(160)에 전파하기 위해서 제5광 파이퍼 세그멘트(164)에 결합된다. 조합된 광 에너지의 부분은 제7광 파이퍼 세그멘트(190)에 결합되고 광이 흡수되는 제2광-흡수 종단기(194)에 전파한다. 본 기술분야에 공지된 바와 같이, 제5 및 제7세그멘트내의 광 출력의 비는 그들이 제2방향성 결합기(170)에 의해 재조합될 때 역전파하는 광 부분의 위상 관계에 의존한다.

제2방향성 결합기(170)으로부터 편광기(160)에 되 전파하는 광은 제1편광 모드에서 전파하는 광만이 편광기를 통하여 제3광 파이버 세그멘트(140)에 송신되도록 다시 편광된다. 편광기(160)으로 부터 편광된 광은 이것이 2개의 거의 동일한 부분으로 분리되는 제1방향성 결합기(124)에 전파하는데, 그 중 하나는 제2광 파이버 세그멘트(128)에 결합되고 그 중 다른 하나는 제1광 파이버 세그멘트(120)에 결합된다. 화살표 I_DET로 표시된 제2광 파이버 세그멘트(128)내의 광은 제2광 파이버 세그멘트(128)내의 광 에너지의 세기를 검출하여 루프(178)로부터의 조합된 광 에너지의 세기를 검출하는 광 검출기(D)(200)에 전파한다. 검출기(200)은 검출된 세기에 응답하는 라인(204)상의 전기적 출력 신호를 제공한다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 루프(178)로부터의 조합된 광 에너지의 세기는 2개의 역전파하는 광 신호의 상대적 위상에 의존하는데, 부분적으로는 루프(178)의 회전율에 의존한다.

검출된 광 세기를 성분 및 회전의 각 방향을 나타내는 출력 신호로 변환시키기 위한 여러가지 장치 및 기술은 상술한 미합중국 특허 제4,410,275호, 동 제4,456,377호, 동 제4,487,330호, 동 제4,634,282호, 및 동 장치4,637,722호에 기술되어 있다. 예를 들어, 구동 및 검출 전자 회로 블럭(210)에 예시된다. 구동 및 검출 전자 회로 블럭(210)은 위상 변조기(M)(218)에 결합된 라인(214)상의 전기적 출력 신호를 제공한다. 위상 변조기(218)은 루프(178)의 중심으로부터 위치 오프셋트에서 제6광 파이퍼 세그멘트(174)에 결합된다. 구동 및 검출 전자 회로 블럭(210)은 2개의 역전파하는 광 신호 I_CW및 I_CW의 위상을 변조하도록 선택된 특정한 주파수로써 위상 변조기(218)을 구동시킨다. 구동 및 검출 전자 회로 블럭(210)은 루프(178)의 회전율을 나타내는 라인(230)상의 전기적 출력 신호를 제공하기 위해서 라인(204)상의 광 출력 신호의 전기적 표시를 동기적으로 복조하는데 특정한 주파수를 사용한다. 회전 감지기의 동작의 부수적인 설명은 상술한 미합중국 특허 제4,410,275호, 동 제4,456,377호, 동 제4,487,330호, 동 제4,634,282호, 및 동 제4,637,722호에 기술되어 있다. 제1도에 도시한 회전 감지기가 폐쇄된 루프 구성으로 되어 있지만, 미합중국 특허 제4,779,975호에 설명된 것과 같은 구성이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

제2도는 제1도의 광원(110)으로서의 유리하게 사용될 수 있는 본 발명에 따라 구성된 공진 캐비티 레이저(300)의 모범적인 실시예를 도시한 것이다. 예시된 바와 같이, 레이저(300)은 펌프 파장에서의 펌프 광 신호에 응답하여 방출 파장에서의 출력은 발생하도록 레이즈하는 네오디뮴(Nd) 또는 다른 적합한 물질로 도프된 실리카-유리 광 섬유로 형성된 단일-모드 광 파이버로 양호하게 되는 광 레이저 파이버(310)으로 구성된다. 예를 들어, 광 파이버(310)은 중량으로 0.1% 내지 1% 범위내의 네오디뮴의 농도로 도프될 수 있다.

여기서 기술된 실시예에서, 양호한 광 파이버(310)은 약 1몰%, P₂O₅C 300ppm(part per million)네오디뮴(Nd)로 공동-도프된 GeO₂-SiO₂의 통상적인 원거리 통신형 광 파이버로 구성된다. 모범적인 광 파이버(310)은 약 3㎛의 코어 반경 및 약 125㎛의 피복 반경을 갖는다. 광 파이버(310)은 미터당 약 13dB의 비로810nm의 피크 흡수 파장으로 광을 흡수한다. 이러한 광 파이버(310)은 영국, 입스위치(Ipswich)의 브리티시 텔레콤 리서치 실험실(British Telecom Research Laboratories)에 의해 제조된다.

네오디뮴의 흡수 범위내이 펌프 파장(예를 들어 약 790nm 내지 약 850nm)에서의 충분한 세기의 광 신호로 펌프될 때, 네오디뮴 도핑은 약 1050nm 내지 약 1080nm의 방출 범위내에서 광을 방출하는데, 아래에 보다 완전히 기술되는 바와 같이, 펌프 파장 및 펌프 세기에 의존한다. 1400nm 주위의 파장을 범위에서의 부수적인 방출이 있는데, 그러나, 이러한 방출은 실질적으로 낮은 세기를 갖고 있다.

레이저 광 파이버(310)은 1m 보다 양호하게 크게되는 길이를 갖고, 300m 만큼 크게 될 수 있다. 광 파이버(310)은 제1단부(314) 및 제2단부(318)을 갖고 있다. 제1단부(314)에 인접한 광 파이버(310)의 제1단부 부분(322)는 제1단부 부분(322)용 지지부를 제공하고 제1단부 부분(322)의 정확한 일렬 정렬을 위한 수단을 제공하기 위해서 제1모세관 튜브(326)내에 양호하게 감싸진다. 이와 마찬가지로, 제2단부(318)에 인접한 광 파이버(310)의 제2단부 부분(330)은 제2모세관 튜브(334)내에 양호하게 감싸진다. 제1단부(314) 및 제2단부(318)은 제1단부(314) 및 제2단부(318)이 각각 제1단부 부분(322) 및 제2단부 부분(330)의 종방향 축에 거의 수직인 평탄 플래너 표면을 정하하도록 정밀하게 연마되고 광택된다.

양호한 실실예들에서, 제1모세관 튜브(326)은 제1모세관 튜브(326)의 단부가 제1단부(314)와 코플래너(coplanor)되도록 광 파이버(310)의 제1단부(314)와 동시에 연마되고 광택된다. 이와 마찬가지로, 제2모세관 튜브(334)는 제2모세관 튜브(334)의 단부가 제2단부(318)가 코플래너되도록 광 파이버(310)의 제2단부(318)과 동시에 연마되고 광택된다.

광 파이버 공진 레이저(300)은 광 파이버(310)의 제1단부(314)와 인접하여 장착된 제1밀러(340)을 포함한다. 제1밀러(340)은 펌프 신호의 파장에 대응하는 광 파장의 제1범위에서 반사율을 거의 갖지 않고 방출된 신호의 파장에 대응하는 파장의 제2범위에서 거의 100% 반사율을 갖고 있는 이색 밀러로 유리하게 된다. 이러한 이색 밀러의 구조는 본 기술분야에 공지되어 있다. 이색 제1밀러(340)은 양호하게 평탄 반사 표면을 갖고 있고 제1밀러(340)의 평탄 반사표면이 제1단부(314)의 표면과 평행이 되도록 제1단부(314)와 관련하여 장착된다. 그러므로, 제1밀러(340)의 평탄 반사 표면에 수직인 라인은 광 파이버(310)의 제1단부 부분(322)의 종방향 축과 일렬정렬된다. 본 발명의 한 실시예에서, 제1모세관 튜브(326)은 상술한 일렬정렬을 제공하기 위해서 제1밀러(340)을 위한 장착 표면으로서 유리하게 사용된다. 제1밀러(340)은 적당한 접착제로 제1모세관 튜브(326)에 부착될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 제1밀러(340)은 광 파이버(310)의 제1단부(314)상에 직접 반사 코팅을 피착함으로써 제조된다.

광 파이버공진 레이저(300)은 광 파이버(310)의 제2단부(318)에 인접하여 장착된 제2이색 밀러(350)을 포함한다. 제2밀러(340)은 파장의 제1범위내에서 광을 거의 양호하게 반사시키지 못한다. 제2밀러(340)은 파장의 제2범위에 관련하여 부분적 반사 밀러이다. 예를 들어, 파장의 제2범위용 제2밀러의 반사율은 90%내지 95%로 되도록 유리하게 선택된다. 이러한 부분적 반사 밀러의 구조는 본 기술분야에 공지되어 있다. 부분적 반사 제2밀러(350)은 평탄 반사 표면을 갖고 있고 제2밀러(350)의 평탄 반사 표면이 제2단부(318)의 표면에 평행이도록 제2단부(318)에 관련하여 장착된다. 그러므로, 제2밀러(350)의 평탄 반사 표면에 수직인 라인은 광 파이버(310)의 제2단부 부분(330)의 종방향축과 일렬정렬된다. 제2모세관 튜브(334)는 상술한 일렬정렬을 제공하기 위해서 제2밀러(350)을 위한 장착 표면으로서 유리하게 사용된다. 본 발명의 한 실시예에서, 제2밀러(350)은 적당한 접착재로 제2모세관 튜브(334)에 부착될 수 있다. 양호한 실시예에서, 제2밀러(350)은 광 파이버(310)의 제2단부(318)상에 반사 코팅을 피착함으로써 제조된다.

광 파이버 공진 레이저(300)은 예를 들어, 양호하게 레이저 다이오드(LD)로 되는 광 펌프원(360)을 포함한다. 광 펌프원(360)은 광 파이버(310)의 네오디뮴 도 핑은 흡수 범위내에서 제1파장들중의 선택된 파장에 대응하는 파장 λ_P로, 화살표(364)로 표시된 펌프 광 신호를 발생시킨다. 제1파장중의 선택된 것의 선택은 본 명세서에 기술된 발명의 요소이고 아래에 더욱 완전히 기술될 것이다.

광 펌프원(360)은 펌프 광 신호(364)가 거의 반사 또는 굴절되지 않고 제1이색 밀러(340)을 통과하고 제1단부(314)를 통하여 광 파이버(310)의 제1단부 부분(322)내로 도입되도록 제1이색 밀러(340) 및 광 파이버(310)의 제1단부 부분(322)의 종방향 축에 관련하여 일렬정렬된다. 펌프 광 신호(364)는 제2도에 도시한 바와 같이, 제1렌즈(366)에 의해 광 파이버(310)의 제1단부 부분(322)의 종방향 축상에 접속될 수 있다. 선택적으로, 제1단부(314)상에 직접 피착된 제1밀러(340)을 갖는 양호한 실시예에서, [예를 들어, 반사 코팅의 긁힘을 피하기 위해서 사이에 작은 공간을 갖는 제1단부(314)에 펌프된 출력을 버트-결합(butt-coupling)함으로써] 제1단부(314)는 펌프원(360)의 출력에 인접하여 배치될 수 있다.

제1단부 부분(322)내로 도입된 펌프 광 신호(364)는 제2단부(318)을 향해 광 파이버(310)에서 전파한다. 펌프 광 신호(364)가 제2단부(318)을 향해 전파할 때, 펌프 광 신호(364)의 광 에너지는 광 파이버(310)의 네오디뮴 도핑 도핑 이온에 의해 흡수되어, 이온이 상태를 변화하게 한다. 이온이 완화할 때(즉, 이온의 원래의 안정상태로 복귀할 때), 광자는 펌프 파장보다 긴 방출 파장으로 방출된다. 이 방출 효과는 본 기술분야에 공지되어 있고 낮은 시간 코히어런스를 갖는 출력 신호를 제공하도록 무작위 방식으로 자연방출을 발생시키기에 충분한 세기의 펌프 광 신호로 네오디뮴-도프 파이버를 펌프함으로써 초형광 광대역 소오스를 발생시키는데 유리하게 사용된다. 이것은 미합중국 특허 제4,637,025호를 참조할 수 있다. 이러한 초형광 광대역 소오스는 방출된 광이 광 파이버 제2단부 외부로 직접 통고하거나, 기껏해야 제1단부에서 반사되고 더 이상의 반사 없이 제2단부 외부로 통과하도록 특별히 구성된다. 그러므로, 이러한 광대역 소오스는 공진 캐비티 레이저와 동일한 방식으로 동작하지 않는다.

본 발명에서, 광 파이버(310)의 제1단부(314)를 향해 초기에 배향되어 있고 제1이색 밀러(340)을 향해 배향된 자연 방출된 강은 제2단부(318)을 향해 되 반사되므로 제2이색 밀러(350)을 향할 것이다. 제2단부(318)을 향해 초기에 배향된 소정의 자연 방출된 광을 따르는 이 반사된 광은 부분적 반사성 제2이색 밀러(350)에 의해 부분적으로 반사될 것이다. 바꾸어 말하면, 제2이색 밀러(350)을 향해 전파하는 광의 약 90-95%는 제1단부(314)를 향해 되 반사될 것이다. 제2이색 밀러(350)을 향해 전파하는 광의 다른 5-10%는 제2이색 밀러(350)을 통해 송신되고 화살표(370)으로 표시된 파장 λ_L에서의 레이저 출력 신호로서 공진 레이저(300)으로부터 방출될 것이다. 한 실시예에서, 레이저 출력 신호(370)은 광 파이버(310)의 제2단부 부분(330)의 종방향 축에 일렬 정렬된 제2렌즈(372)에 의해 광 파이버(114)의 입력 단부 부분(120)의 입력 단부상에 집속된다. 선택적으로, 본 발명의 양호한 실시예에서, 제2밀러(350)은 제2단부(318)상의 반사 코팅의 피착에 의해 제조되고, 제2단부(318)은 광 파이버(114)의 입력 단부 부분(120)의 입력 단부에 버트-결합될 수 있다.

제1단부(314)를 향해 되 반사된 광은 이것이 제2단부(318)을 향해 다시 한번 전파하도록 제1이색 밀러(340)에 의해 다시 반사될 것이다. 이 동일한 과정은 광 펌프원(360)으로부터 펌프 광 신호의 연속적인 입력에 응답하여 네오디뮴 도핑 이온에 의해 자연 방출된 부수적인 광을 위해 반복될 것이다. 그러므로, 제1이색 밀러(340), 제2이색 밀러(350) 및 그 사이의 광 파이버(310)은 레이저 광이 발진하는 캐비티를 정한다. 캐비티내의 발진 레이저 광은 네오디뮴 이온으로부터의 부수적인 광자의 방출을 유도하므로 방출된 레이저광의 세기를 증가시킨다.

제2도는 상술한 구조와 유사한 구조는 지금까지 공진 캐비티 레이저를 제공하는데 사용되었다. 그러나, 이러한 공진 캐비티 레이저가 좁은 라인쪽을 갖는 레이저 출력 신호를 제공한다는 것은 이미 지적되었다. 요약하면, 캐비티내의 발진 레이저 광은 라운드 트립(round trip) 광 경로 길이(예를 들어, 제2도내의 2개의 밀러 사이의 캐비티의 길이의 2배)가 방출된 광의 파장의 다수배일 때 공진할 것이다. 그러므로, 공진 파장에서의 부수적인 광자의 편중 발생이 있을 것이다. 예를 들어, 이러한 구조는 800-815nm 범위내의 광 펌프 신호로 펌프될 때 2-6nm 범위내의 라인폭을 갖는 레이저 출력 신호를 발생시키는데 사용된다. 네오디뮴-도프 실리카 파이버의 펌프 가변 동조 범위라도 하는 이 범위는 1054-1072nm 범위내의 레이저 출력신호에 대응한다. 이 범위내에서, 레이저 출력 파장 λ_L의 범위는 광 펌프 파장 λ_P가 증가될수록 증가할 것이고, 레이저 출력의 좁은 라인폭은 비교적 일정하게 남는다.

출원인은 광 펌프 신호가 레이저 파이버(310)의 펌프 가변 동조 범위 외부에 충분히 있는 펌프 파장 λ_L에서 네오디뮴-도프 실리카 파이버(310)에 인가될 때, 네오디뮴 도핑 이온의 레이징 작용에 의해 발생된 광 출력 신호(370)은 매우 넓은 라인폭을 갖는다는 것을 발견하였다. 예를 들어, 광 파이버(310)이 약 815nm의 범위내의 파장λ_P를 갖는 광 펌프 신호(364)로 펌프될 때, 레이저 출력 신호(370)의 파장 λ_L은 펌프 광 신호의 파장의 이 815-825nm 범위에 걸쳐서 그다지 변화하지 않는 파장의 넓은 범위를 포함한다. 예를 들어, 레이저 출력 신호(370)은 반 최대에서의 약 18-19nm의 완전 진폭(FWHM)의 측정된 라인폭으로, 약 1015nm 내지 1075nm의 파장의 범위를 포함한다. 라인폭상의 이 동일한 확장 효과는 펌프 가변 동조 범위 아래의 펌프 광 신호(364)의 파장에서 발견되었다. 예를 들어, 약 794nm에서의 퍼 검출프 파장 λ_P에서, 레이저 출력 신호(370)의 라인폭은 약 15nm로서 측정되었고, 파장의 범위는 약 1053nm 내지 약 1068nm이다. 아래에 설명하는 이유 때문에, 광 펌프 파장 λ_P는 약 822nm로 양호하게 선택된다.

전술한 설명은 레이저 출력 방출 스펙트럼의 그래프인 제3a도-3o도를 참조하여 구체화될 수 있다. 이 그래프들은 레이저 출력 신호(370)에서의 측정된 전력 대 광 펌프 신호(364)의 15개의 상이한 파장 λ_P를 위한 레이저 출력 신호(370)의 파장 λ_L을 도시한 것이다. 펌프 파장 범위는 약 793nm 내지 약 831nm이다. 각각의 그래프에서의 수평 스케일은 nm로 출력 파장 λ_L이고 수직인 스케일은 출력 전력이다. 수평 스케일의 단위는 출력 전력이 절대 전력으로 검정되지 않는 광 검출기로 측정되는 출력 전력으로서 표시되지 않는다. 그러므로, 수직 스케일상의 단위는 각각의 입력 파장 λ_P용 전력 출력이 비교될 수 있도록 임의 단위로 된다.

제3d도-제3h도는 각각 약 801.1nm, 803.9nm, 809.2nm 및 811.9nm의 입력 펌프 파장 λ_P를 위한 레이저 출력 스펙트럼을 나타낸 것이다. 입력 펌프 파장의 이 범위는 일반적으로 광 레이저의 펌프 가변 동조 범위라고 한다. 입력 펌프 파장 λ_P가 증가할 수록 출력 파장 스펙트럼의 평균 파장이 증가한다는 것을 알 수 있다. 동시에, 반 크기[즉, 반 크기에서의 완전 폭(FWHM)]에서 측정된 바와 같이, 스펙트럼의 광 대역폭은 범위(예를 들어, 5-8nm 범위)에 걸쳐서 비교적 좁게 유지된다.

펌프 가변 동조 범위 상하의 주파수에서, 레이저 출력 스펙트럼은 확장하기 시작한다. 그러므로, 펌프 가변 동조 범위의 각각의 단부에 상부 및 하부 광대역 영역이 있다. 예를 들어, 798.9nm의 광 펌프 파장 λ_P를 위한 레이저 출력 스팩트럼을 나타낸다. 제3c도에서, 광 대역폭은 FWHM으로 측정될 때 약 15nm로 확장되었다. 광 대역폭은 펌프 파장 λ_P가 각각 795.7nm 및 793.0nm의 파장을 위해 제3b도 및 제3a도에 예시된 바와 같이 감소될 때 펌프 가변 동조 영역내의 대역폭보다 크게 남는다.

마찬가지 방식으로, 제3i도-3o도는 광 파이버 레이저(300)의 펌프 가변 동조 범위 이상의 펌프 파장에 대응하는 출력 스펙트럼을 예시한 것이다. 출력 스팩트럼 대역폭은 약 16-18nm로 확장되고 펌프 파장 λ_P가 증가될수록 비교적 일정하게 남는다. 더욱이, 대역폭은 레이저 광 파이버(310)의 펌프 가변 동조 영역내의 대역폭 보다 실질적으로 크다는 것을 알 수 있다.

출력 스팩트럼의 크기는 펌프 가변 동조 범위(제3d도-제3h도에 의해 도시됨)에서 보다 상부 및 하부 광대역 영역(3a도-제3c도 및 제3i도-3o도로 각각 도시됨)에서 낮다. 크기의 이 감소는 광대역 영역이 네오디뮴 레이징 매체의 피크 흡수 파장에 일치하지 않는 펌프 파장에 의해 특성지워진다는 사실의 결과이다. 그러나, 크기는 합당한 출력 전력을 제공하는데 충분히 크다. 게다가, 실제적으로, 레이징 파이버의 길이 또는 도팬트 농도를 증가시킴으로써 감소된 흡수를 보상하는 것이 가능하다. 유기하게, 크기는 또한 약 820-830nm의 범위에서 합당하게 일정하므로, 이 범위내의 펌프 파장 변화에 거의 민감하지 않다.

본 발명의 양호한 실시예에서, 상술한 확장은 레이저 파이버(310)의 펌프 가변 동조 범위내의 펌프 파장에 관련된 방출 대역폭 보다 최소한 50% 큰 방출 대역폭을 제공한다. 스팩트럼 대역폭의 확장은 레이저 파이버(310)이 레이징 물질의 국부 피크 흡수 파장의 거의 위거나 아래인 파장 λ_P를 갖는 광 펌프 신호(364)로 펌프될 때 발생한다. 이 확장은 광 파이버(310)의 실리카 유리에서의 네오디뮴 이온의 위치-의존(site-dependent)펌핑에 속할 수 있다. 네오디뮴 이온에서의 에너지 레벨 사이의 전이는 실리카 유리에서의 네오디뮴 이온에 유용한 윈자 위치의 곱 결과로서 상당히 불균일하게 확장된다[예를 들어, C. Brecher 등의 피지컬 리뷰 비(PHYSICAL REVIEW B), 18권 10호, 1987년 11월 15일자 페이지 5799-5811에서의 “산화물 및 플루오르화물 유리내의 Nd³⁺의 라인의 좁은 스펙트라 및 위치-의존 전이 확률(Line-narrowed spectra and site-dependent transition probalilities of Nd³⁺)”를 참조할 수 있다]. 위치 의존 펌핑은 소정 위치에 있는(또한 특정한 파장 주위에서 방출하는) 이온이 특정한 주파수로 좁은 대역 펌핑에 의해 우선적으로 여기된다는 것을 의미한다. 그러므로 스펙트럼의 사항뿐만 아니라 이 의존성은 광 파이버(310)의 코어내에 있는 공동-도팬트의 성질 및 농도에 의존하리라고 기대된다. 넓은 방출은 다중 Nd³⁺위치의 여기에 기인 한다는 것으로 믿어진다. 그러므로 넓은 방출은 펌프 파장 λ_P가 네오디뮴 레이징 물질의 810-nm 흡수대역의 중심으로부터 떨어져 놓여 있을 때 발생한다. 이러한 상태하에서, 다중 Nd³⁺위치의 여기는 동일한 대역 또는 인접한 흡수 대역(예를 들어 Nd³⁺의 810nm 및 870nm 흡수 대역)에 속하는 위치-의존 흡수 후미를 통해 발생하거나, 또는 네오디뮴의 상부 레이저의 레벨 사이의 교차-완화를 통해 발생한다.

전술한 내용은 제4도 및 제5도에 요약되어 있는데, 제4도 및 제5도는 제3a-3o도로부터 유도되고 각각 펌프 파장 λ_P의 함수로서, 레이저 출력 대역폭 및 레이저 출력 평균 파장을 나타낸 것이다.

여기서 사용된 바와 같이, 평균 파장이 λL_AVG는 다음과 같이 정의된다.

여기서 I(λ)는 특정한 파장에서의 세기이고 2개의 적분은 스팩트럼 대역폭에 걸쳐서 취해진다.

제4도에서, 레이저 출력 대역폭 λ_L은 입력 펌프 파장 λ_P를 위한 약 800-810nm의 펌프 가변 동조 범위에서 비교적 작다(예를 들어, 약 6-8nm), 다음에 Δλ_L은 펌프 파장이 펌프 가변 동조 범위 이상으로 증가될수록 약 16-20nm로 급속히 증가한다. 이와 마찬가지로 출력 대역폭 Δλ_L은 펌프 파장 λ_P가 펌프 가변 동조 범위 미만으로 감소될수록 증가한다.

제5도에서, 레이저 출력 파장 λ_L의 평균 파장 λL_AVG는 약 801-812nm로부터의 펌프 가변 동조 범위내에서의 거의 선형으로 증가하고, 약 814nm의 대응하는 펌프 파장 λ_P에서의 약 1067nm의 최대 평균 파장에 도달한다는 것을 알 수 있다. 그 다음에 레이저 출력 평균 파장 λL_AVG는 약 822nm의 대응하는 펌프 파장 λ_P에서의 약 1065nm의 국부 최소값 M으로 감소한다.

또한 제4도 및 제5도에서 레이저 출력 스펙트럼을 위한 평균 파장 λL_AVG및 대역폭 Δλ_L822nm 주위의 광 파이버 레이저(300)의 펌프 가변 동조 범위 위의 광대역 영역에서 둘다 거의 일정하다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 822nm 주위의 입력 펌프 파장 λ_P에서의 작은 변화는 평균 파장 λL_AVG또는 대역폭 Δλ_L에 거의 영향을 주지 않는다. 광 펌프 파장 λ_P는 출력 평균 파장 λL_AVG및 펌프 파장 λ_P에서의 파동에 거의 민감하지 않는 대역폭 Δλ_L을 제공하도록 양호하게 선택되어야 하므로, 양호한 실시예에서, 펌프 파장 λ_P는 약 822nm로 선택된다.

펌프 파장 λ_P에서의 밀러 변화에 관련한 출력 파장 λ_L의 상대적 안정성은 제1도와 관련하여 전술한 파이버 광 회전 감지기용 광 에너지원을 위한 안정한 동작 파장을 제공하는데 유리하다.

제2도에 따라 구성된 광 파이버 레이저(300)의 파장 안정성은 레이저가 약 822nm의 입력 펌프 파장에서의 국부 평균 파장 최소 M(제5도) 주위에서 동작될 때 섭씨 1°당 10ppm 보다 양호하게 평가되었다. 이것은 섭씨 1°당 300-400ppm 범위내에 있는 것 같은 전형적인 초형광 다이오드의 안정성보다 상당히 양호하고 또한 섭씨 1°당 약 300ppm에 있는 것 같은 전형적인 다이오드 레이저원의 안정성보다 양호하다. 그러므로, 제2도의 광 파이버 레이저(300)이 온도에 대한 파장의 변환가 비교적 큰 변화를 갖는 레이저 다이오드 등과 같은 것으로 될 수 있는 광 펌프원(360)으로 펌프되지만, 약 822nm의 펌프 파장 λ_P에서의 평균 파장내의 최소에서의 광 파이버 레이저(300)의 동작이 섭씨 1°당 약 100ppm의 온도 의존을 효과적으로 감소시킨다.

본 발명의 광 파이버 레이저는 초형광 다이오드와 같은 이전에 공지된 광대역 소오스 이전에 다른 장점을 갖고 있다. 초형광 다이오드와 관련된 문제중의 하나는 광 에너지 출력이 양호하게 배향되지 않는 것이다. 그러므로, 초형광 다이오드로부터 큰 퍼센트의 광 출력을 포착하고 이것을 입력으로서 회전 감지기 등에 제공하기가 어렵다. 반대로, 제2도의 광 파이버 레이저(300)으로 부터의 광 출력은 높은 방향성이고 광 파이버 레이저(300)으로부터 방출된 광의 거의 모든 것은 예를 들어 제1도의 회전 감지기(100)에 입력으로서 제공될 수 있다.

제2도의 광 파이버 레이저(300)은 미합중국 특허 제4,637,025호에 기술된 레이저와 같은 초형광 파이버 레이저 이외의 장점을 또한 갖고 있다. 본 발명의 공진 캐비티는 레이징 효과는 초형광 레이저에 대해 발생한 것보다 상당히 낮은 흡수된 입력 펌프 전력 임계로 발생하게 한다. 그러므로, 주어진 흡수된 입력 펌프 전력을 위해 발생된 광 출력 전력은 유사한 레이징 파이버를 사용한 초형광 레이저의 경우보다 상당히 크다.

스펙트럼 대역에 관해 전술하였지만, 방출된 레이저 광의 스팩트럼은 초형광 레이저 등에서 보이게 기대되는 것과 같은 연속적인 스펙트럼이 아니라는 것을 이해하여야 한다. 오히려, 방출 스팩트럼은 제1 및 제2밀러(340 및 350)에 의해 형성된 레이저 파이버 캐비티에서 공진된 많은 다수의 파장을 갖는 엔벨로프로 구성된다. 공진 파장의 각각은 광 파이버 레이저(300)의 종방향 모드에 대응한다. 종방향 모드의 각각은 공진 캐비티 레이저로 기대할 수 있는 만큼의 매우 좁은 라이폭을 갖고, 개별적인 파장은 제3a-3o도에 도시한 스팩트럼 엔벨로프를 함께 제공한다. 적당한 광대역 출력을 제공하기 위해서, 스펙트럼 엔벨로프는 비교적 넓은 대역폭을 가져야 할 뿐만 아니라, 많은 인접하게 분리된 모드를 포하하여야 한다. 이 인접한 모드간격은 최소한 수천개의 모드중의 최소 및 양호하게는 수만개의 모드를 지탱하도록 파이버 레이저(300)의 공진 캐비티의 크기를 정함으로써 본 발명에서 달성된다.

전술한 것은 제6도에 도식적으로 나타내었고, 다수의 개별적인 종방향 모드(400)은 1056nm와 1076nm사이의 파장의 범위로 도시되어 있다. 비교적 적은 수의 개별적인 모드는 제6도에 도시되어 있고,양호한 실시예는 도시된 범위내에서 50,000개의 초과하는 개별적인 모드를 갖는 것으로 평가된다. 개별적인 모드는 제3i-3o도에 도시된 스팩트럼 대역폭에 거의 대응하도록 스페트럼 대역폭 엔벨로프(410)(파선으로 도시됨)을 함께 형성한다. 모드들 사이의 간격(Δλ_L)은 2개의 인접 파장에 따라 변화할 것이고, 예를 들어 10^-4내지 10^-3nm의 범위내에 있을 수 있다.

제1도의 회전 감지기에서 사용된 것과 같은 광 파이버는 상이한 굴절율을 갖는 2개의 편광 모드에서 광을 전파한다. Px 및 Py로서 여기서 참조된 2개의 편광 모드는 루프(178)을 횡단하는 광에 2개의 상이한 전파 경로를 제공한다. 편광 모드 Px에서의 루프(178) 주위의 한 방향으로 이동하는 광은 nx가 Px편광 모드용 굴절율이고 Ls가 회전 감지기(100)의 루프(178)내의 광 파이버(114)의 길이인 유효 거리 nxLs를 이동할 것이다. 루프 길이 Ls는 루프(178) 주위의 방향성 결합기(170)의 중심으로부터 방향 결합기(170)의 중심에 되돌아오는 길이로 측정된다. 결합기(170)의“중심”이란 용어는 결합기(170)을 형성하는 도파관이 결합을 제공하도록 가지런히 놓이는 점을 의미한다.

2개의 편광 모드(즉, Py)의 다른 것에서의 루프(178) 주위의 동일한 방향을 이동하는 광은 유효 거리 nsLs를 이동하는데, 여기서 ny는 Py 편광 모드를 위한 광 파이버(114)의 굴절율이다. 2개의 편광 모드에서 광 에너지에 의해 이동된 전파 경로의 차로 인해서, 2개의 편광 모드의 다른 것에서의 광에 관련한 편광모드중의 한 모드내의 광 에너지 사이의 경로 길이 차가 있을 것이다. 광 경로 차는 nxLs-nyLs와 동일할 것이다.

즉 Δ_Ls=(nx-ny)-Ls

모범적인 광 파이버 회전 감지기(100)에서, 광 경로 차 ΔLs는 약 50-100㎝이다.

제1도의 회전 감지기와 같은 광 감지기가 파이버 루프내의 2개의 편광 모드 중의 한 모드에서 2개의 편광 모드중의 다른 모드까지의 광 에너지의 결합에 의해 발생된 소정의 오차에 허용될 수 있다는 것이 판명되었다. 이 오차중의 약간을 감소시키기 위해, 루프(178)을 위한 광 경로 차 ΔLs 보다 적은 정도의 크기인 코히어런스 길이를 갖는 광 원(110)을 사용하는 것이 유리하다고 판명되었다(예를 들어 미합중국 특허 제4,634,282호가 참고된다). 파이버 레이저(300)으로부터의 레이저 출력 신호(370)이 좁은 라인폭을 갖는 다수의 개별적인 모드로 구성되지만, 이 파이버 레이저(300)은 이 요구에 맞기에 충분히 짧은 코히어런스 길이를 갖는 유효 광대역 출력을 제공한다.

레이저(300)의 코히어런스 특성은 제2도의 광 파이버 레이저(300)의 코히어런스 하수도인 제7도에 도시되어 있다. 가시성(즉, 코히어런스의 정도)은 광 경로 차의 함수로서 플롯된다. 제7도에 도시한 바와 같이, 스펙트럼 엔벨로프를 구성하는 개별적인 모드는 0의 미분 경로 길이를 위한 제1코히어런스 피크(420)을 갖는 코히어런스 함수를 발생시킨다. 제1코히어런스 피크(420)의 폭 Wc(즉, 반크기에서의 피크의 완전 폭)은 레이저 방출 엔벨로프의 스펙트럼 대역폭에 의존한다. 제2도의 실시예에서, 코히어런스 폭 Wc는 약 수십 미크론이다.

제7도의 코히어런스 함수는 경로 차가 nL_R과 같을 때 제2코히어런스 피크(430)을 갖는다. 여기서 L_R은 파이버 레이저(300)의 공진 캐비티의 길이이고 n은 레이저 캐비티를 통해 광에 의해 이동된 광 경로의 굴절율이다(예를 들어, 레이저 방출 파장에서의 제2도의 광 레이저 파이버(310)에 의해 형성된 광 경로). 여기서 사용된 바와 같이, “공진 캐비티의 길이”란 용어는 레이저 캐비티를 통해 이동된 라운드 트립 거리로 되는 것으로 정의되는데, 제2도의 실시예에서, 제1밀러(340)과 제2밀러(350) 사이의 거리의 2배이다. 코히어런스 함수 피크 사이의 거리는 방출 엔벨로프내의 개별적인 모드사이의 간격에 역비례 변화하고, 이 거리는 앞으로 코히어런스 피크 간격이라고 할 것이다. 코히어런스 피크 간격은 코히어런스 피크 폭 Wc의 최소한 수천배가 되어야 유리하고, 양호한 실시예에서 코히어런스 피크 간격은 코히어런스 피크 폭의 수십배 정도이다.

코히어런스 함수는 이 코히어런스 피크 간격으로 떨어져 직렬로 간격진 다른 코히어런스 피크(도시안됨)를 갖고 있다. 약 1m의 2개의 밀러 사이의 거리를 갖는 제2도의 실시예에서, 코히어런스 피크 간격은 2m보다 클 것이다. 제2 및 후속 코히어런스 피크는 파이버 레이저가 공진 캐비티 레이저라는 사실로 인해서 상승한다. 본 기술분야에 숙련된 기술자들은 이 부수적인 피크들이 초형광 레이저 또는 초발광 다이오드를 위해 존재하지 않는다는 것을 이해할 것이다.

교차 결합된 편광 소자상에 제2코히어런스 피크(430)과 관련된 기대하지 않은 코히어런스 효과를 피하기 위해서, 루프(178)을 위한 광 경로 차 ΔLs는 파이버 레이저(300)의 코히어런스 피크 간격보다 적게 설정되어야 한다(즉 nL_R미만으로). 따라서, 제2도의 파이버 레이저 원(300)에 의해 발생된 제1도의 회전 감지기(100)에서 전파하는 광 신호는 제1코히어런스 피크(420)만 “보일”것이고 제2코히어런스 피크(430) 또는 소정의 후속 코히어런스 피크는 “보이지”않을 것이다. 그러므로, 회전 감지기(100)의 동작에 관한한, 제1코히어런스 피크(420)의 폭 Wc는 광 파이버 레이저(300)의 코히어런스 길이이다. 이 경우에서, 광 파이버 레이저 레이저(30)은 엔벨로프(410)이 개별적인 모드(400)을 포함할지라도 스펙트러 엔벨로스(410)내 유효 연속 스펙트럼을 갖는 회전 감지기(100)에 레이저 출력 신호를 제공한다. 제2도의 모범적인 광 파이버 레이저(300)에서, 코히어런스 피크 간격 nL_R은 2m 보다 크고 제1도의 회전 감지기를 위해 50 내지 100㎝보다 실질적으로 크다.

코히어런스 함수에 관한 부수적인 정보에 대해서 S. Ezekiel 등이 편집인인 스프링거-베르래그지 1982(ISBN 3-540-11791-1 및 0-387-11791-1)년판 페이지 237-244에 있는 R. E. Epworth의 “광 파이버 감지기에 사용된 여러가지 반도체 광원의 시간 코히어런스 ”The Temporal coherence of Various Semiconductor Light Sources Used in Optical Fibre Sensors“를 참조할 수 있다.

다른 실시예들

제2도에 관련하여 전술되었지만, 본 발명의 광 파이버 레이저는 다른 실시예들에 따라 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를들어, 제8도는 공진 캐비티가 멀티플렉싱 결합기(520)을 이용함으로써 레이징광 파이버(510)으로 형성되는 다른 광 파이버 레이저(500)을 도시한 것이다. 한 양호한 멀티플렉싱 결합기(520)은 미합중국 특허 제4,556,279호에 기술되어 있다. 레이징 광 파이버(510)은 양호하게는 제2도의 실시예와 관련하여 전술한 것과 같은 광 파이버이다.

참고된 특허에 기술된 바와 같이, 양호한 멀티플렉싱 결합기(520)은 4개의 포트 A, B, C 및 D를 제공하기 위해서 2개의 파이버를 가지런히 놓음으로써 형성된다. 포트 A 및 B는 결합기의 포트 A에 들어가는 광이 제1광 파이버 결합기 세그멘트(522)를 통하여 전파하고 포트 B를 통하여 나가도록 레이징 파이버(510)의 제1광 파이버 결합기 세그멘트(522)에 의해 결합기(520)내에 직접 접속된다. 같은 방식으로, 포트 C 및 D는 포트 C에 들어가는 광이 제2광 파이버 결합기 세그멘트(524)를 통하여 전파하고 포트 D를 통하여 나가도록 레이징 파이버(510)의 제2광 파이버 결합기 세그멘트(524)에 의해 결합기(520)내에 접속된다.

제1 및 제2광 파이버 결합기 세그멘트(522 및 524)는 포트 A에 들어가는 광의 부분이 결합기(520)내에 결합되고 포트 B보다는 오히려 포트 D를 통해 나가도록 멀티플렉싱 결합기(520)내에 가지런히 놓인다. 이와 마찬가지로, 포트 C에 들어가는 광의 부분은 결합기(520)내에 결합되고 포트 D보다는 오히려 포트 B로 나가나. 멀티플렉싱 결합기(520)에서, 포트 A로부터 포트 D까지 결합된 광의 퍼센트 및 포트 C로부터 포트 B까지 결합된 광의 퍼센트는 이것이 미합중국 특허 제4,556,279호에 기술된 바와 같이 파장 의존이도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 제8도의 실시예에서, 멀티플렉싱 결합기(520)은 포트 A로부터 포트 D까지와 포트 C로부터 포트 D까지의 1050nm 내지 1070nm의 범위내의 광 파장을 갖는 광의 약 90-95%를 결합하도록 유리하게 구성된다. 동시에, 멀티플렉싱 결합기(520)은 800-830nm의 범위내의 광 파장을 갖는 실질적으로 적은 퍼센트의 광(양호하게는 0 또는 0에 가까운 퍼센트)를 결합하도록 구성된다.

광 파이버(510)은 입력 펌프 신호(532)가 양호하게 집속 렌즈(536)을 통하여, 광 펌프원(534)로부터 도입되는 제1단부(530)을 포함한다. 유리하게 광 펌프원(534)는 앞서와 같이, 약 822nm의 펌프 파장 λ_P를 제공하는 다이오드 등과 같은 것이다. 광 파이버(510)의 입력 세그먼트(540)은 제1단부(530)을 멀티플렉싱 결합기(520)의 포트 A에 상호접속시킨다. 광 파이버(510)은 제1광 파이버 결합기 세그멘트(522)로서 포트 A와 포트 B 사이의 멀티플렉싱 결합기(520)을 통하여 연속된다. 광 파이버(510)은 포트 B를 포트 C에 상호접속시킨 루프 세그멘트(542)를 포함한다. 광 파이버(510)은 제2광 파이버 결합기 세그멘트(524)로서 포트 C와 포트 D사이의 멀티플렉싱 결합기(520)을 통하여 연속된다. 광 파이버(510)은 출력 세그멘트(544)로서 포트 D로부터 연장한다.

입력 펌프 광 신호(532)는 입력 단부 세그먼트(540)을 통하여 광 파이버(510)의 입력 단부로부터 멀티플렉싱 결합기(520)의 포트 A에 전파한다. 입력 펌프 신호가 약 822nm의 파장을 갖기 때문에, 입력 펌프 광 신호는 있다하더라도 아주 적게 제1결합기 연선(strand)(522)로부터 제2결합기 연선(524)에 결합된다. 그러므로, 입력 펌프 광의 거의 모두는 포트 B를 통하여 멀티플렉싱 결합기(520)에 나가고 루프 세그멘트(542)로 들어간다. 입력 펌프 신호가 루프 세그멘트(542) 주위에 전파할 때, 이것은 제2도에 관련하여 기술된 바와 같이 약 1055 내지 1075nm의 파장 범위로 광을 방출하는 레이징 광 파이버(510)을 펌프한다. 방출된 광은 동일한 주파수 범위에서의 부수적인 광의 방출을 유도한다. 방출된 광 및 소정의 흡수되지 않은 광은 멀티플렉싱 결합기(520)의 포트 C에 전파하고 제2결합기 세그멘트(524)로 들어간다. 펌프 광 파장에서의 결합의 퍼센트는 매우 적기 때문에, 잉여의 펌프 광의 거의 모두는 제2결합기 세그멘트(524)내에 남고 포트 D를 통해 멀티플렉싱 결합기(520)으로 나간다. 한편, 1055 내지 1075 파장 범위내의 레이저 광의 약 90-95%는 제2결합기 세그멘트(524)로부터 제1결합기 세그멘트(522)에 결합되고 루프 세그멘트(542)에 전파하기 위해 포트 B를 통하여 나간다. 레이저 광의 비결합된 5-10%는 포트 D를 통하여 나가고 레이저 출력신호(550)으로서 출력 단부 세그멘트(544)를 통하여 출력된다. 레이저 출력신호(550)은 회전 감지기용 광대역 소오스를 제공하기 위해서 제1도의 광 파이버 회전 감지기(100)의 입력에 적당한 수단(예를 들어, 버트 결합)에 의해 결합될 수 있다. 이 실시예는 레이저(500)의 출력 단부 세그멘트(544)가 예를 들어, 회전 감지기(100)의 입력 단부 부분(120)에 직접 접속된다는 점에서 특히 유리하다.

루프 세그멘트(542) 내로 되 결합된 방출된 레이저 광의 부분은 전술한 바와 같이, 광대역 스펙트럼 엔벨로프의 파장으로 부수적인 레이저 광의 방출을 유도한다. 루프 세그멘트(542)의 길이는 공진 캐비티 레이저(50)의 어느 특정한 종방향 모드가 루프 세그멘트(542)내의 재순환에 의해 보강되는지를 결정하는 공진 캐비티의 길이를 정한다. 루프 세그멘트(542)이 길이는 루프 세그멘트(542) 주위의 멀티플렉싱 결합기(520)내의 제1결합기 연선(522)의 중심으로부터 제1결합기 연선(524)의 가지런히 놓인 중심까지 되돌아오는 광경로의 길이로서 정해진다.

입력 펌프 에너지의 거의 모두가 루프 세그멘트(542)내에 흡수되는 것이 바람직하다는 것을 이해하여야 한다. 그러므로, 광 파이버(510)의 입력 단부 세그멘트(540)은 펌프 에너지의 거의 모두가 루프 세그멘트(542)내에 흡수되도록 충분히 짧아야 한다. 다른 실시예(도시 안됨)에서, 입력 세그멘트(540), 제1결합기 연선(522), 제2결합기 연선(524) 및 출력 세그멘트(544)는펌프 에너지가 실시예의 이 부분들에 의해 있더라도 적게 흡수되도록 비-레이징 광 파이버로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 루프 세그멘트(542)는 루프 세그멘트만이 레이징 광 파이버(510)을 구성하도록 멀티플렉싱 결합기(520)의 포트 B 및 포트 C에 인접한 제1결합기 연선(522) 및 제2결합기 연선(524)로 통상적인 접속 방법으로 접속된다. 그러므로, 비-레이징 파이버로부터 구성된 종래의 멀티플렉싱 결합기는 다른 실시예를 위해 사용될 수 있다.

제9도는 본 발명에 따라 구성된 광 파이버 레이저(600)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 레이저(600)은 이전에 설명된 것과 같은 레이징 광 파이버(610)을 포함한다. 또한, 레이저(600)은 나중에 설명되는 바와 같이, 입력 및 출력 접속을 제공하는데 사용되는 비-레이징 광 파이버(614)를 포함한다. 레이징 광 파이버(610) 및 비-레이징 광 파이버(614)는 제8도와 관련하여 전술한 것과 같은 멀티플렉싱 결합기(620)내에 가지런히 놓인다. 비-레이징 광 파이버(614)는 펌프 광 신호(634)가 유리하게 약 822nm에서 동작하는 레이저 다이오드 또는 다른 광 에너지 원으로 되는 펌프 원(638)로부터 도입되는 제1단부(630)을 갖고 있다. 펌프 광 신호(634)는 집속 렌즈(640)에 의해 비-레이징 광 파이버(614)의 제1단부(630)상으로 집속될 수 있다. 양호한 실시예에서, 제1단부(630)은 광 파이버 출력같은 것을 제공하는 적당한 펌프원(638)의 광 파이버 출력에 버트-결합된다. 비-레이징 광 파이버(614)의 입력 단부 부분(644)는 제1단부(630)을 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 A에 상호접속시킨다.

비-레이징 광 파이버(614)의 결합기 부분(648)은 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 A를 포트 B에 상호접속시켜서 비-레이징 광 파이버(614)의 출력 단부 부분(650)에 상호접속시킨다. 출력 단부 부분(650)은 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 B를 비-레이징 광 파이버(614)의 제2단부(654)에 상호접속시킨다. 제2단부(654)는 제1도의 회전 감지기(100)의 입력 단부에 유리하게 버트-결합된다.

멀티플렉싱 결합기(620)내에, 비-레이징 광 파이버(614)의 결합기 부분(648)은 레이징 광 파이버(610)의 결합기 부분(660)과 가지런히 놓인다. 레이징 광 파이버(610)의 결합기 부분(660)은 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 C와 포트 D를 상호접속시킨다. 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 C는 제1단부(672)로 종료되는 레이징 광 파이버(610)의 제1의 짧은 캐비티 세그멘트(670)에 접속된다. 제2도에 관련하여 전술한 바와 같이, 제1밀러(674)는 제1단부(672)에 인접하여 배치되고 제1단부(672)로 나가는 광이 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 C에 되 전파하기 위해 제1단부(672)내로 되 반사되도록 일렬 정렬된다. 제1단부 부분(676)은 제1단부(672)에 인접하여 정해진다. 양호하게, 제1단부 부분(676)은 제1모세관 튜브(678) 등과 같은 것에 의해 지탱된다. 제1밀러(674)는 제2도에 관련하여 전술한 바와 같이, 제1모세관 튜브에 고착될 수 있거나, 또는 양호하게는, 반사 코팅의 피착에 의해 제1단부(672)상에 제조될 수 있다.

같은 방식으로, 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 D는 레이징 광 파이버(610)의 제2의 좀 더 긴 레이징 세그멘트(680)에 접속된다. 제2레이징 세그멘트(680)은 제2밀러(684)와 일렬 정렬된 제2단부(682)에 의해 종료된다. 일렬 정렬은 제2모세관 튜브내의 제2단부 부분(686)을 지탱하고 제2밀러(684)를 제2모세관 튜브(688)에 고착함으로써 달성될 수 있다. 선택적으로, 양호한 실시예에서, 제2밀러(684)는 반사 코팅을 제2단부(682)상으로 직접 피착함으로써 형성된다.

제9도의 실시예에서, 제1밀러(674) 및 제2밀러(684)는 제1단부(672)나 제2단부(682)로부터 나오는 광의 거의 모두가 반사 단부내로 되 반사되도록 1055 내지 1075nm의 파장 범위내에서 양호하게 거의 100% 반사된다. 양호하게는, 제2밀러(684)는 약 822nm의 펌프 파장에서의 거의 100% 비 -반사(즉, 전송)된다. 또한 양호하게, 멀티플렉싱 결합기(620)은 822nm의 펌프 파장에서의 광 에너지의 약 100%가 비-레이징 광 파이버(614)의 결합기 부분(648)로부터 레이징 광 파이버(610)의 결합기 부분(660)에 결합되도록 구성된다. 또한 멀티플렉싱 결합기(620)은 1055 내지 1075nm 범위내의 파장을 갖는 예를 들어, 광 에너지의 약 5-10%가 레이징 광 파이버(610)이 결합기 부분(660)으로부터 비-레이징 광 파이버(614)의 결합기 부분(648)에 결합되도록 구성된다.

동작시에, 입력 펌프 신호(634)는 비-레이징 광 파이버(614)의 입력 단부(634)로부터 광 에너지의 약 100%가 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 D에 결합된 멀티플렉싱 결합기(620)이 입력 포트 A에 전파한다. 결합된 펌프 광은 이것이 제2밀러(684)를 통하여 나가는 제2단부(682)에 긴 제2레이징 세그멘트(680)을 통하여 전파한다. 펌프 신호는 레이징 광 파이버(610)내의 레이징 매체를 펌프하고 1055 내지 1075nm의 레이징 파장으로 광 에너지의 방출을 발생시킨다. 레이저 광 에너지의 약 90-95%는 멀티플렉싱 결합기(620)의 멀티플렉싱 동작 및 제1밀러(674) 및 제2밀러(684)의 반사로 인해 레이징 광 파이버(610)내에 남는다. 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 C로부터 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 B에 결합되는 레이저 광 에너지의 5-10%는 레이저 출력 신호(690)으로서 비-레이징 광 파이버(614)의 제2단부(654)를 통해 출력된다. 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 D로부터 멀티플렉싱 결합기(620)이 포트 A에 결합된 레이저 광 신호의 부분은 비-레이징 광 파이버(614)의 제1단부(630)을 통하여 손실된다.

제9도의 실시예에서, 제2레이징 세그멘트(680)의 부분이 레이징 되는 것이 단지 필요하다. 보다 짧은 광 파이버 세그멘트(670)은 비-레이징 광 파이버로부터 구성될 수 있다. 그러므로, 다른 실시예(도시 안됨)에서, 멀티플렉싱 결합기(620)은 종래의 방식으로 비-레이징 파이버로부터 전체적으로 구성되고 제2레이징 세그멘트(680)은 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 D로부터 연장한 비-레이징 파이버에 접속된다. 제1광 파이버 세그멘트(670)은 멀티플렉싱 결합기(620)의 포트 C로부터 연장한 비-레이징 파이버 상으로 접속되거나, 또는 다른 선택으로서는 제1밀러(674)는 비-레이징 파이버상에 제조되거나 비-레이징 파이버에 인접하여 장착될 수 있다.

제10도는 상술한 것과 같은 단일 광 레이징 파이버(910)을 조합한 광 레이저 파이버(900)의 다른 선택적 실시예를 도시한 것이다. 제10도의 실시예는 상기 언급된 미합중국 특허 제4,556,279호에 따라 양호하게 구성된 제1멀티플렉싱 결합기(914) 및 제2멀티플렉싱 결합기(918)을 또한 포함한다. 2개의 결합기의 결합 퍼센트는 2개의 결합기가 800 내지 840nm의 범위내의 파장을 갖는 광의 약 0%를 결합하도록 양호하게 조정된다. 제1멀티플렉싱 결합기(914)는 1050 내지 1080nm의 범위내의 파장을 갖는 광의 약 50%를 결합하도록 구성된다. 제2멀티플렉싱 결합기는 1050 내지 1080nm의 범위내의 파장을 갖는 광의 50% 보다 적게(예를 들어 45-48%)결합하도록 구성된다.

레이징 광 파이버(910)은 입력 단부(920)을 갖고 있다. 레이징 광 파이버(910)의 입력 단부 부분(924)는 입력 단부(920)을 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 A와 상호접속시킨다. 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 제1결합기 부분(930)은 포트 A를 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 B와 상호접속시킨다. 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 제1결합기 부분(930)은 포트 C를 포트 D와 상호접속시키는 제2결합기 부분(934)에 가지런히 놓인다. 레이징 광 파이버(910)의 제1루프 부분(940)은 포트 B로부터 방출된 광이 제1루프 부분(940) 주위에 전파하고 포트 D로 들어가도록 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 B를 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 D와 상호접속시킨다.

제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 C는 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 A에 레이징 광 파이버(910)의 중간 부분(950)을 통하여 접속된다. 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 A는 제2결합기 부분(958)과 가지런히 놓인 제1결합기 부분(954)에 의해 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 B에 접속된다. 제2결합기 부분(958)은 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 C와 포트 D를 상호접속시킨다. 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 B와 포트 D는 레이징 광 파이버(910)의 제2루프 부분(960)에 의해 상호접속된다. 출력 단부 부분(964)는 제2멀티플렉싱 결합기의 포트 C를 출력 단부(968)과 상호접속시킨다. 출력 단부 부분(964)는 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 C를 출력 단부(968)과 상호접속시킨다.

제10도의 광 파이버 레이저(900)은 광 대역 펌핑 범위내의 파장을 갖는 펌프 신호(974)를 레이징 광 파이버(910)에 제공하는 광 펌프원(970)을 포함한다. 상술한 레이징 광 파이버의 경우에, 펌프 파장은 양호하게 약 822nm이다. 펌프 신호(974)는 집속 렌즈(978) 또는 다른 적당한 수단에 의해 입력 단부(920)에 결합 된다. 예를 들어, 입력 단부(920)은 적당한 펌프원의 출력에 버트-결합되거나 접속될 수 있다. 펌프 신호는 입력 단부(924)를 통하여 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 B에 전파한다. 펌프 신호의 거의 0%가 결합되기 때문에, 펌프 신호의 거의 모두는 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 B로부터 나오고 제1루프 부분(940) 주위에서 전파하고 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 D로 들어간다. 또한, 거의 결합이 발생하지 않고, 펌프 신호는 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 A에 중간 파이버 부분(950)을 통하여 전파하는 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 C로부터 나온다. 펌프 신호는 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 C로부터 나오고 출력 단부 부분(964)를 통하여 레이징 광 파이버(910)의 출력 단부(968)에 전파한다. 펌프 신호가 상술한 광 파이버를 통하여 전파할 때, 이것은 레이징 매체에 의해 흡수되고 출력 단부(968)로부터 나오는 광 펌프 에너지의 세기는 입력 단부(920)으로의 펌프 신호 입력의 세기보다 실질적으로 작다. 펌프 광 에너지는 파이버 부분에 의해 제공된 전파 경로를 통하여 1번만 전파한다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 흡수된 펌프 신호는 레이저 파장(예를 들어, 여기서 기술된 레이징 물질용으로 1055 내지 1075nm의 범위)에서의 광 에너지의 방출을 발생시킨다. 이로써 발생된 레이징 광 에너지는 상술한 파이버 부분내에서 전파한다. 전파 경로를 통하여 한번만 전파한 펌프 광 에너지와는 다르게, 레이저 광 에너지는 제1 및 제2멀티플렉싱 결합기(914) 및 (918)의 동작에 의해 중간 파이버 부분(950)내에서 재순환된다. 캐비티의 총 길이는 중간 부분(950) 및 제1 및 제2부분(940 및 960)중의 한 부분에 의해 정해진다.

본 기술 분야에 통상의 지식을 가지 자는 제1멀티플렉싱 결합기(914) 및 제2멀티플렉싱 결합기(918)이 중간 파이버 부분(950)에서 전파하는 광에 관련하여 밀러로서 동작한다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 중간 파이버 부분(950)으로부터 제1멀티플렉싱 결합기(914)의 포트 C에 들어오는 광의 제1루프 부분(940)내에서 반시계 방향 전파를 위해 포트 D에 결합되고 제1루프 부분(940) 주위에 시계방향 전파를 위해서는 포트 B에 결합된다. 2개의 역전파 광 신호는 그들이 조합되는 포트 B 및 포트 D에 각각 복귀할 것이다. 광신호 사이의 공지된 위상 관계로 인해서, 광의 거의 모두는 포트 C에 결합되고 중간 파이버 부분(970)을 통하여 다시 전파할 것이다. 그러므로, 제1멀티플렉싱 결합기(914)는 제2도내의 제1밀러(340)에 대응하는 거의 100% 반사 밀러로서 작용한다. 제2멀티플렉싱 결합기(918)이 50% 결합보다 작게 되도록 구성되기 때문에, 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 A로부터 제2루프 부분(960)내로 결합된 광의 100% 미만이 포트 A에 되 결합되므로 중간 파이버 부분(950)에 되 결합될 것이다. 광의 작은 부분은 제2멀티플렉싱 결합기(918)의 포트 C에 결합되고 출력 단부 부분(964)를 통하여 출력 단부(968)에 전파하고 레이저 출력 신호(980)으로서 제공된다. 레이저 출력 신호(980)은 제1도의 회전 감지기(100)과 같은 회전 감지기 등에 광대역 레이저 입력 신호로서 유리하게 제공된다. 출력 단부(968)은 회전 감지기의 입력에 버트-결합되거나 접속될 수 있다. 선행 실시예에서, 이 실시예를 위한 공진 캐비티의 길이는 레이저 광에 의해 이동된 라운드 트립 거리와 같게 되는데, 이 거리는 루프(940,960)의 조합된 길이 더하기 2배의 중간 부분(950)의 길이이다.

반사기로서 결합기를 사용하는 유사한 레이저 구성에 관한 부수적인 설명은 예를 들어, Iain D. Miller 등의 응용 광학 제28권 제11호 1987년 6월 1일자 페이지 2197-2201의 “모든-파이버 반사기를 사용하는 Nd³⁺-도프 CW 파이버 레이저(A Nd³⁺-doped CW fiber laser using all-fiber reflectors)”에 기술되어 있다.

레이저의 공진 캐비티의 위상 변조기를 갖는 다른 실시예의 설명

상술한 공진 캐비티 광 대역 파이버 레이저는 제1도와 관련하여 앞서 예시된 바와 같은 광 파이버 회전 감지기를 위해 광 대역 광원으로서 매우 유용한 것으로 도시되었다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 공진 캐비티 레이저는 20nm의 범위내의 방출 라인폭을 제공하고 방출된 광의 평균 파장을 위한 섭씨 1°당 약 6ppm(6ppm/℃)의 온도 계수를 갖는 것으로 판명되었다. 광 파이버 시스템의 간단한 온도 제어는 약 1ppm/℃의 온도 계수를 제공하는 것으로 기대된다. 상술한 바와 같이, 파이버 레이저 평균 파장 대 펌프 다이오드 평균 파장의 곡선의 기울기는 곡선의 기울기가 0인 비교적 고정적인 점(제5도내에서)을 갖고 있다. 이 고정 점 주위에 동작함으로써 공진 레이저의 펌프 다이오드원의 비교적 곧은 온도 제어는 안정한 레이저 출력 신호를 제공하는데 사용될 수 있다.

상술한 공진 캐비티 광 파이버 레이저로써의 소정의 실험에서 레이저는 회전 감지기(100)(제1도)으로부터의 변조된 광 궤환에 민감하다는 것이 판명되었다. 변조된 광 궤환은 공진 캐비티 레이저에 의해 발생된 레이저 광 신호를 변화하게 하므로 회전 감지기(100)에 의해 표시된 회전율의 오차를 발생시킨다.

한 모범적인 실험에서의 변조된 궤환 신호의 효과는 제11도 및 제12도에 도시되어 있다. 제11도는 제2도의 공진 캐비티 레이저(300)을 사용할 때 제1도내의 회전율 신호 라인(230)상의 회전 감지기(100)에 의해 발생된 전기적 출력 신호의 모범적인 스펙트럼 주사(1000)을 도시한 것이다. 제11도에서, 회전 감지기(100)은 고정(즉, 회전하지 않음)한다. 도시된 바와 같이, 스펙트럼 주사(1000)은 fm₁의 주파수에서 상당한 피크(1010)을 갖는데, 여기서 fm₁은 구동 및 검출 전자 회로(210)에 의해 위상 변조기(218)에 인가된 신호의 주파수이다. 광원(110)으로부터(즉, 제2도의 공진 캐비티 레이저로부터)의 회전 감지기(100)의 입력에 인가된 광 신호를 차단함으로써, 광 변조에 의해 발생되지 않은 회전 감지기에 의해 발생된 전자 잡음이 있다는 것이 판명되었다. 전자 잡음은 제12도내의 스펙트럼 주사(1020)으로 도시된다. 회전율 신호에서 나타나는 궤환 오차를 표시하는 스펙트럼 주사(1000)내의 피크(1010)은 전자 잡음 최저 보다 약 40dB 크다.

제13도는 제1도의 회전 감지기에 따라 구성된 회전 감지기(100')를 제2도의 공진 캐비티 레이저에 따라 구성되 공진 캐비티 레이저(300')와 조합한 회전 감지기 시스템(1050)의 모범적인 실시예를 도시한 것이다. 제13도에서, 회전 감지기(100')의 유사 소자는 제1도의 회전 감지기(100)에 사용된 동일한 참조 번호로 표시된다. 이와 마찬가지로, 공진 캐비티 레이저(300')의 유사한 소자는 제2도의 회전 감지기(100')에서와 같이 동일한 참조 번호를 갖는다. 회전 감지기(100') 및 공진 캐비티 레이저(300')의 동작은 각각 제1도 및 제2도를 참조함으로써 이해할 수 있다. 다음에 기술되는 바와 같이, 회전 감지기 시스템(1050)의 회전 감지기(100')로부터 변조된 궤환에 의해 발생된 오차를 억제하기 위해서 회전 감지기(100') 및 공진 캐비티 레이저(300')에의 수정을 포함한다.

제13도에서, 회전 감지기(100')는 공진 캐비티 레이저(300')와 광 파이버(114)의 입력 세그멘트(120) 사이에 배치된 패러데이 아이솔레이터(1060)을 포함한다. 패러데이 아이솔레이터는 본 기술에 공지되어 있고 벌크 광 소자로써 용이하게 사용될 수 있다. 또한, 패러데이 아이솔레이터는 광 파이버 소자로서 구성되고 본 명세서에 참고가 되는 미합중국 특허 제4,615,582호 및 미합중국 특허 제4,671,658호에 기술된 바와 같이, 회전 감지기와 조합하여 사용될 수 있다. 그러므로, 패러데이 아이솔레이터는 광 파이버(114)의 입력 세그멘트(120)상에 형성될 수 있다.

기본적으로, 패러데이 아이솔레이터(1060)은 광을 방향성 결합기(124)를 향해 공진 캐비티 레이저(300')로부터 광 파이버(114)의 입력 세그멘트(120)을 통과하게 동작하지만 공진 캐비티 레이저(300')를 향하여 방향성 결합기(124)로 반대 방향으로 이동하는 광을 감쇠시키고 거의 차단시킨다. 예를 들어, 본 발명의 이 국면의 한 특정한 실시예에서, 패러데이 아이솔레이터(1060)은 약 30dB의 제1고조 전자 오차 신호에서의 감소를 제공하기 위해서 약 30 dB의 광 아이솔레이션율을 갖는다.

제13도에 도시한 바와 같이, 공진 캐비티 레이저(300')는 변조된 궤환의 응답을 감소시키기 위해서 레이저 캐비티내에 삽입된 위상 변조기(M)(1100)을 포함한다. 본 발명의 이 국면의 한 특정한 실시예에서, 위상 변조기(100)은 7.5㎝의 직경을 갖는 PZT 링을 포함한다. 광 파이버(310)은 PZT 링의 확장 및 수축이 본 기술에 공지된 방식으로 광 파이버(310)의 신장 및 완화를 발생시키도록 PZT 링 주위에 싸여진다.

위상 변조기(1100)은 단일 신호 라인(1112)로서 표시된 일련의 신호 라인을 통하여 신호 발생기(1110)에 의해 전기적으로 구동된다. 신호 발생기(1110)은 회전 감지기(100')의 출력을 모니터 하는 동안 변화될 수 있는 주파수 및 크기를 갖는 전기적 신호를 발생시킨다. 신호 발생기(1110)에 의해 발생된 전기적 신호의 주파수 및 크기는 회전 감지기(100')가 최소 오차 표시가 회전 감지기의 출력에 의해 나타내질 때까지 고정 위치에 유지되는 동안에 변환된다. 바꾸어 말하면, 주파수 및 크기는 회전 감지기(100)의 출력이 이것이 고정일 때 거의 0의 회전율을 표시하게 선택된다. 광 변조 궤환에 의해 발생된 오차 신호는 이 함수가 이미 맵되거나 정의되지 않았을지라도, 회전 감지기(100')의 위상 변조기(218)에 인가된 구동 신호의 주파수 및 크기의 함수라는 것이 판명되었다. 위상 변조기(218)에 인가된 구동 신호가 약 97.3KHz의 주파수를 갖는 본 발명의 한 특정한 실시예에서, 신호 발생기(1110)으로부터 위상 변조기(1100)에 인가된 구동신호를 위한 13.1KHz의 주파수는 제14도내의 스펙트럼 주사에 의해 도시된 바와 같이, 시스템의 전자 잡음 레벨과 거의 동일한 레벨로 오차를 감소시킨다는 것이 판명되었다.

위상 변조기(1100)의 사용의 효과는 제15도 및 제16도에 도시된다(제15도 및 제16도는 패러데이 아이솔레이터(1060)이 제13도의 실시예내에 포함되지 않을때의 실험에서 발생된 것이다). 제15도는 공진 캐비티 레이저(300')내의 위상 변조기(1100)에 인가되지 않은 나머지에서 회전 감지기(100')로써 25-분 간격에 걸쳐서 구동 및 검출 전자 회로(210)의 출력에서 취해진 모범적인 스티립 차트 기록(1200)을 나타낸 것이다. 라인(1210)은 출력신호의 전기적 제로를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 스트립 차트 기록(1200)은 한 시간당 500도의 회전율을 나타내는 레벨로 도달하는 실질적인 무작위 잡음 및 출력 신호의 드리프트를 나타낸다.

제15도와 비교하여, 제16도는 공진 캐비티 레이저(300')내의 위상 변조기(1100)에 인가된 구동 신호를 갖는 유사한 시간 간격에 걸쳐서 취해진 모범적인 스트립 차트 기록(1250)을 나타낸 것이다. 전기적인 제로 라인(1260)은 참조를 위해 도시된다. 도시된 바와 같이, 무작위 잡음 및 드리프트는 실질적으로 감소된다. 스트립 차트 기록 (1250)은 회전 감지기(100')가 스트립 차트의 수직 스케일을 검정하기 위해서, 한 시간당 -320도의 일정한 비 및 한시간 당 +320도의 일정한 비로 회전하게 되는 시간 간격을 각각 나타내는 제1부분(1270) 및 제2부분(1280)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 회전을 나타내는 2개의 부분(1270,1280)은 스트립 차트 기록(1250)상에 양호하게 도해되어 있다.

레이저(300)의 공진 캐비티내의 위상 변조기(1100)은 공진 캐비티 레이저의동작에서의 상당한 개량을 제공한다는 것을 알 수 있다. 위상 변조기(1100)과 같은 위상 변조기는 제8도, 제9도 및 제10도의 공진 캐비티 광 파이버 레이저(500,600,900)내로 조합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

광 대역 광 파이버 레이저 원의 여러가지 실시예가 상술되었다. 본 발명이 이들 특정한 실시예에 관하여 기술되었지만, 설명은 본 발명의 예시에 불과하고 이를 제한하려는 것은 아니다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진자는 첨부된 특허 청구 범위에서 정의된 것과 같은 본 발명의 진정한 원리를 범위를 벗어나지 않고서 여러가지 수정 및 응용을 할 수 있을 것이다.

Claims

레이징 매체(310,510,610,910)에의 펌프 에너지의 인가에 응답하여 방출 스펙트럼으로 광을 방출하는 레이징 매체(310,510,610,910)을 갖는 공진 캐비티(310,340,350,510,520,542; 610,674,684; 910,914,918), 제2파장을 갖는 펌프 에너지(364,532,634,974)이 소오스(360,534,638,970)으로 구성되고, 상기 방출 스펙트럼이 상기 펌프 에너지에서의 제1대역폭 및 상기 펌프 에너지의 제2파장에서의 제2대역폭을 갖고, 상기 제2대역폭이 상기 제1대역폭보다 상당히 크고, 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)이 최소한 수천개의 종방향 모드를 지탱할 수 있는 크기로 되고, 상기 모드의 최소한 몇개는 상기 제1대역폭 외부에 있지만, 상기 제2대역폭 내부에 있는 파장에 대응하는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제1항에 있어서, 상기 제2파장이 상기 제1파장 보다 큰 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제1항에 있어서, 상기 제2파장이 상기 제1파장보다 작은 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제1항에 있어서, 펌프 에너지(364,532,634,974)의 상기 소오스(360,534,638,970)이 레이저 다이오드(LD)인 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제1항에 있어서, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 단일-모드 광 파이버(310,510,610,910)인 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제1항에 있어서, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 피크 흡수 파장을 갖는 흡수 대역을 갖고 펌프 에너지(364,532,634,974)의 상기 소오스(360,534,638,970)이 상기 피크 흡수 파장이외의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제1항에 있어서, 상기 공진 캐비티(310,340,350)이 제1 및 제2단부(314,318)을 갖고 있고 그 사이의 광을 반사시키기 위해서 상기 제1 및 제2단부(314,318)에 인접하여 배치된 각각의 제1 및 제2밀러(340,350)을 갖고 있는 광 파이버(310)에 의해 형성되고, 상기 밀러(318)중의 최소한 하나가 상기 방출된 광의 부분이 상기 밀러(318)을 통과하도록 상기 제2대역폭내의 파장을 갖는 방출된 광에 대해서는 부분적으로 전송되는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300).
제1항에 있어서, 상기 공진 캐비티(510,520,542)가 레이징 광 파이버(510)의 루프(542)에 의해 특징지워지고, 상기 레이저(500)이 상기 루프(540)로 및 상기 루프(540)로부터의 광을 결합하기 위한 멀티플렉싱 결합기(520)에 의해 부수적으로 특징지워지고, 상기 멀티플렉싱 결합기(520)이 상기 펌프 에너지가 상기 루프(542) 주위에서 한번 전파하도록 상기 루프(542)로 및 상기 루프(542)로부터의 상기 펌프 에너지를 전달하고, 상기 멀티플렉싱 결합기(520)이 상기 방출된 광의 실질적 부분이 상기 루프 주위에 순환하도록 상기 루프(542)로부터 상기 방출된 광의 작은 부분만을 출력하는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(500).
제1항에 있어서, 상기 공진 캐비티(610,674,684)가 제1 및 제2단부(672,682)를 갖는 레이저 광 파이버(610), 펌프 에너지(634)의 상기 소오스(638)에 결합된 제2광 파이버(614), 제1단부와 제2단부(672,684) 사이의 위치에서 상기 제2파이버(614) 및 상기 레이징 광 파이버(610)을 결합하고, 상기 제2광 파이버(614)로부터의 펌프 에너지를 상기 레이징 광 파이버(610)에 결합하고 상기 레이징 광 파이버(610)으로부터의 상기 방출된 광을 상기 제2광 파이버(614)에 결합하는 멀티플렉싱 결합기(620), 및 각각 상기 레이징 광 파이버(610)의 상기 제1 및 제2단부(672,684)에 인접하여 배치되고, 상기 제2대역폭내의 상기 파장으로 이에 입사하는 거의 모든 광을 반사하는 제1 및 제2밀러(674,684)로 구성된 것을 특징으로 하는 공진 레이저(600).
제1항에 있어서, 상기 공진 캐비티(910,914,918)이 사이에 중간 부분(950)을 갖는 제1 및 제2루프 부분(940,960)을 형성하는 레이징 광 파이버(910), 상기 중간 부분(950)을 상기 제1 및 제2루프 부분(940,960)에 각각 광학적으로 결합하는 제1 및 제2파장 선택 멀티플렉싱 결합기(914,918)로 구성되고, 펌프 에너지의 상기 소오스(970)이 상기 레이징 광 파이버(910)을 통한 전파를 위해 상기 멀티플렉싱 결합기(914)중의 하나로의 입력 펌프 에너지(974)에 결합되고, 상기 멀티플렉싱 결합기(914,918)의 파장 선택 특성이 (i) 상기 펌프 에너지가 상기 멀티플렉싱 결합기(914,918)에서 광의 거의 제로 결합으로 상기 레이징 광 파이버(910)을 통하여 전파하고, (ii) 상기 방출된 광의 실질적인 부분이 상기 레이징 광 파이버(910)의 상기 중간 부분(950)을 통하여 다수회 통과하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(900).
2개의 펀광 모드를 갖는 광 파이버(114)로 구성된 루프(178), 및 광 파이버(310,510,610,910)으로 형성된 레이징 매체로 구성된 레이저(300,500,600,900)로 구성되고, 상기 편광 모드의 각각이 상이한 속도로 광을 전파하여, 유효 광 경로 길이차를 상기 루프(178)을 횡단하는 광을 위한 2개의 모드에 제공하고, 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)을 갖는 상기 레이저(300,500,600,900)이 상기 루프(178)에 광을 공급하기 위해 결합되고, 상기 광 경로 길이차가 상기 레이저(300,500,600,900)의 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684;910,914,918)의 길이와 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)를 통하여 광에 의해 이동된 광 경로의 굴절율의 곱보다 적고, 상기 레이저(300,500,600,900)이 최소한 수천개의 종방향 모드를 지탱할 수 있는 크기로 되는 것을 특징으로 하는 광 감지기(100).
제11항에 있어서, 상기 레이저(300,500,600,900)이 레이저 물질로 형성된 광 파이버(310,510,610,910)인 것을 특징으로 하는 광 감지기.
제12항에 있어서, 레이저 물질로 형성된 상기 광 파이버(310,510,610,910)이 단일-모드 광 파이버(310,510,610,910)인 것을 특징으로 하는 광 감지기.
제11항에 있어서, 상기 공진 캐비티내의 광 에너지를 변조하기 위해서 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)내에 배치된 위상 변조기를 포함하고, 상기 위상 변조기(1100)이 상기 루프(178)을 횡단한 후에 상기 레이저(300,500,600,900)으로 들어가는 광에 의해 발생된 오차를 감소시키기 위해 동작하는 것을 특징으로 하는 광 감지기.
레이저 물질로 형성된 광 파이버(310,510,610,910), 및 최소 또는 최대중의 하나에 대응하는 파장으로 광을 발생시키는 펌프 광(364,532,634,974)의 소오스(360,534,638,970)으로 구성되고, 상기 레이저 물질이 파장 흡수 대역을 갖고 펌프 광으로 펌프한 광에 응답하여 광을 방출하고, 상기 방출된 광의 파장이 최소한 하나의 최소 또는 최대를 갖는 특성 곡선에 따라 상기 흡수 대역을 통하여 상기 펌프 광의 파장에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제15항에 있어서, 상기 최소 또는 최대중의 상기 하나의 상기 방출된 광의 광대역 방출을 발생시키는 상기 펌프 광의 파장에 대응하는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
광 전파 매체 및 레이징 매체의 조합으로 구성된 광 파이버(310,510,610,910), 제2파장 범위내의 파장을 갖는 광 입력 신호(364,532,634,974)를 발생시키는 광 에너지의 소오스(360,534,638,970), 상기 광 입력 신호가 상기 광 파이버(310,510,610,910)내에서 전파하도록 상기 광 입력 신호(364,532,634,974)를 상기 광 파이버(310,510,610,910)에 결합시키기 위한 수단(366,536,640,978), 및 상기 레이저 광 에너지의 상기 재순환 부분이 상기 다수의 파장을 갖는 부수적인 레이저 광 에너지의 방출을 유되도록 상기 광 파이버(310,510,610,910)을 통하여 상기 광 레이저 에너지의실질적 부분을 반복적으로 통과하기 위한 수단(340,350; 520; 674,684; 914,918)로 구성되고, 상기 레이징 매체는 상기 레이징 매체가 상기 흡수 대역폭내의 파장을 갖는 광 에너지를 흡수하고 상기 흡수 대역 외부의 파장을 갖는 광을 방출하도록 흡수 대역폭을 갖고, 상기 흡수 대역폭이 최소한 제1 및 제2파장 범위로 구성되고, 상기 레이징 매체가 제1의 좁은 광 대역폭을 갖는 광을 방출하기 위해서 상기 제1파장 범위내의 파장을 갖는 광에 응답하고, 상기 제1대역폭보다 큰 제2의 넓은 광 대역폭을 갖는 광을 방출하기 위해서 상기 제2파장내의 파장을 갖는 광에 응답하고, 상기 레이징 물질의 상기 광 파이버내의 광 레이저 에너지를 발생시키기 위해서 상기 광 입력 신호(364,532,634,974)에 응답하고, 상기 광 레이저 에너지가 상기 제1대역폭보다 큰 전체 대역폭을 갖는 다수의 파장으로 구성된 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제17항에 있어서, 상기 제2파장이 상기 제1대역폭보다 최소한 50% 큰 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제17항에 있어서, 상기 다수의 파장이 상기 제1대역폭보다 최소한 50% 큰 전체 대역폭을 갖는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
제18항에 있어서, 결합하기 위한 상기 수단(366,536,640,978)이 광 에너지의 상기 소오스(360,534,638,970)과 상기 광 파이버(310,510,610,910) 사이에 삽입된 렌즈(366,536,640,978)인 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
광 파이버(310,510,610,910)으로 구성되고 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)을 형성하는 레이징 매체(310,510,610,910), 및 상기 레이징 매체를 펌프하기 위한 펌프 에너지(364,532,634,974)의 소오스(360,534,638,970)으로 구성되고, 상기 레이징 매체가 대역폭을 각각 갖는 이산 파장에 대응하는 다수의 종방향 모드(400)으로 광을 방출하고, 상기 다수의 발진 모드(400)이 이산 파장의 어느 것의 대역폭보다 큰 크기의 대역폭을 갖는 스펙트럼 방출 엔벨로프(410)을 형성하고, 코히어런스 피크 간격(nL_R)에 의해 떨어져 분리된 제1 및 제2코히어런스 피크(420,430)을 갖는 상기 레이저에 코히어런스 함수를 제공하고, 상기 코히어런스 피크(420,430)이 상기 코히어런스 피크 간격(nL_R) 보다 작은 크기의 최소한 3개의 차수로 폭(Wc)를 갖는 것을 특징으로 하는 공진 파이버 레이저(300,500,600,900).
제21항에 있어서, 상기 방출 엔벨로프(410)이 상기 평균 파장(λL_AVG)가 펌프 에너지 파장의 변화에 비교적 민감하지 않은 영역(M)을 갖는 특성 곡선에 따라 상기 펌프 에너지의 파장의 함수로서 변화하는 평균 파장(λL_AVG)를 갖고, 상기 펌프 에너지 파장이 상기 평균 파장을 안정화시키기 위해 상기 영역(M)에 대응하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공진 레이저(300,500,600,900).
주변 효과를 감지하기 위한 파이버 광 감지기(100)에 있어서, 2개의 편광 모드에서 광을 전파하는 광 파이버(114)로 구성된 루프(178), 및 상기 루프(178)내로 광을 도입하도록 결합된 공진 레이저(300,500,600,900)으로 구성되고, 상기 편강 모드가 상이한 속도로 광을 전파하고 상기 광 파이버(114)를 통하여 2개의 광 경로를 제공하고, 상기 2개의 광 경로가 상기 주변 효과의 부재시에 상기 루프(178)을 횡단하는 광을 위한 그 사이의 광 경로 차(△Ls)를 갖고, 상기 레이저(300,500,600,900)가 펌프 파장에 응답하여 대역폭 및 평균 파장을 갖는 광을 방출하는 레이징 매체(310,510,610,910)을 갖는 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684;910,914,918), 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 평균 파장의 상기 제2범위내의 평균 파장으로 광을 방출하게 하도록 선택된 펌프 파장을 갖는 펌프 에너지(364,532,634,974) 의 소오스(360,534,638,970), 및 상기 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684; 910,914,918)을 통하여 광에 의해 이동된 광 경로의 굴절율에 의해 나누어진 상기 광 경로 차(△Ls) 보다 큰 길이 L_R를 갖는 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)로 구성되고, 상기 평균 파장 및 상기 대역폭이 상기 펌프 파장에 의존하고, 상기 대역폭이 평균 파장의 제1범위내에서 비교적 좁고 평균 파장의 제2범위내에서 비교적 넓은 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기(100).
제23항에 있어서, 상기 주변 효과가 회전인 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
제23항에 있어서, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 단일-모드 광 파이버(310,510,610,910)인 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
제23항에 있어서, 상기 루프(178)이 단일 -모드 복굴절 광 파이버(114)인 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
제23항에 있어서, 상기 레이저(300,500,600,900)에 의해 방출된 광이 상기 광 경로 길이 차(△Ls)보다 적은 코히어런스 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
제23항에 있어서, 상기 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684; 910,914,918)이 최소한 만개의 종방향 모드를 지탱할 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
제23항에 있어서, 상기 평균 파장이 상기 펌프 파장의 함수로서 변화하고, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 펌프 파장의 변화에 거의 민감하지 않은 파장의 상기 제2범위내의 선택된 평균 파장을 갖고, 상기 펌프 파장이 상기 선택된 평균 파장을 발생하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
제23항에 있어서, 상기 공진 캐비티내의 광 에너지를 변조하기 위해서 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)내에 배치된 위상 변조기(1100)을 포함하고, 상기 위상 변조기(1100)이 상기 루프(178)을 횡단한 후에 상기 레이저(300,500,600,900)으로 들어가는 광에 의해 발생된 오차를 감소시키기 위해 동작하는 것을 특징으로 하는 파이버 광 감지기.
간섭계(100)에 광대역 광을 공급하는 방법에 있어서, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 광을 방출하게 하기 위해서 펌프 파장으로 레이징 매체(310,510,610,910)을 펌프하는 단계, 선택된 대역폭을 갖는 불균일하게 넓혀진 방출을 제공하기 위해서 펌프 파장을 선택하는 단계, 스펙트럼 엔벨로프(410)을 형성하는 이산 파장으로 광의 방출을 유도하기 위해서 상기 레이징 매체(310,510,610,910)을 통하여 방출의 부분을 반복적으로 통과하는 단계, 상기 스펙트럼 엔벨로프(410)내의 유효 연속 스펙트럼을 제공하기 위해서 충분한 수의 상기 이산 파장으로 상기 스펙트럼 엔벨로프(410)을 채우는 단계, 및 상기 간섭계(100)에 상기 방출을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제31항에 있어서, 반복적으로 통과하는 상기 단계가 2개의 밀러(340,350; 674,684) 사이의 광을 반사하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제31항에 있어서, 반복적으로 통과하는 상기 단계가 광 파이버(510)의 루프(542)내에서 광을 순환하는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제31항에 있어서, 스펙트럼 엔벨로프(410)을 채우는 상기 단계가 상기 레이징 매체(310,510,610,910)내의 최소한 만개의 종방향 모드(400)을 발생시키는 단계인 것을 특징으로 하는 방법.
제31항에 있어서, 상기 간섭계(100)이 사그낙 간섭계인 것을 특징으로 하는 방법.
간섭계(100), 및 레이징 매체(310,510,610,910), 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 광을 방출하게 하기 위해서 상기 레이징 매체(310,510,610,910)을 펌프하는 펌프 광원(360,534,638,970)으로 구성된 광대역 광원(300,500,600,900)으로 구성되고, 상기 펌프 광원(360,534,638,970)은 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 선택된 대역폭을 갖는 불균일하게 넓혀진 방출을 제공하게 하기 위해서 선택된 펌프 파장을 갖고, 상기 광대역 광원이 스펙트럼 엔벨로프(410)을 형성하는 이산 파장으로 광의 방출을 유도하기 위해서 상기 레이징 매체(310,510,610,910)을 통하여 방출의 부분을 반복적으로 통과하는 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)을 포함하고, 상기 분리 파장이 상기 스펙트럼 엔벨로프(410)내의 유효하게 연속적인 스펙트럼을 제공하기 위해서 상기 스펙트럼 엔벨로프(410)을 채우기 위해서 충분한 수로 되는 것을 특징으로 하는 장치.
제36항에 있어서, 상기 간섭계(100)이 사그낙 간섭계(100)으로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
제36항에 있어서, 상기 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684; 910,914,918)이 한쌍의 반사 부재(340,350; 374,384)로 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
제36항에 있어서, 상기 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684; 910,914,918)이 최소한 1만개의 종방향 모드를 지탱할 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 장치.
제36항에 있어서, 상기 공진 캐비티의 광을 변조하기 위해서 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)내에 배치된 위상 변조기(1100)을 포함하고, 상기 위상 변조기(1100)이 상기 간섭계로부터 상기 공진 캐비티로 들어오는 광에 의해 발생된 오차를 감소시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 장치.
상기 레이징 매체(310,510,610,910)으로의 펌프 에너지의 인가에 응답하여 방출 스펙트럼으로 광을 방출하는 레이징 매체(310,510,610,910)을 가는 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918), 및 상기 레이징 매체(310,510,610,910)을 펌프하기 위한 상기 제2파장 범위내의 파장을 갖는 광 신호(364,532,634,974)를 발생시키는 광 에너지의 소오스(360,534,638,970)으로 구성되고, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 최소한 제1 및 제2광 흡수 파장 범위를 갖고, 제1방출 대역폭을 갖는 광을 방출하기 위해서 상기 제1범위내의 파장을 갖는 광에 응답하고, 제2방출 대역폭을 갖는 광을 방출하기 위해서 상기 제2범위내의 파장을 갖는 광에 응답하고, 상기 제2방출 대역폭이 상기 레이저(300,500,600,900)에 광대역 방출을 제공하기 위해서 상기 제1방출 대역폭에 비해 넓고, 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)이 최소한 수천개의 종방향 모드를 지탱할 수 있는 크기로 되고, 상기 모드중의 최소한 몇개는 상기 제1방출 대역폭 외부에 있지만, 상기 제2방출 대역폭내에 있는 파장에 대응하는 것을 특징으로 하는 광대역 레이저(300,500,600,900).
제41항에 있어서, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 단일 모드 광 파이버(310,510,610,910)으로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 레이저.
제41항에 있어서, 상기 공진 캐비티(310,340,350;510,520,542;610,674,684; 910,914,918)이 광 파이버(310,510,610,910)으로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 레이저.
제43항에 있어서, 상기 광 파이버(310,510,610,910)이 상기 레이징 매체로 거의 전체적으로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 레이저.
제41항에 있어서, 상기 레이징 매체(310,510,610,910)이 피크 흡수 파장을 갖고 상기 광 에너지의 상기 소오스(360,534,638,970)이 상기 피크 흡수 파장이외의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광대역 레이저.
제41항에 있어서, 상기 공진 캐비티(510,520,542; 910,914,918)이 광 파이버(510,910)으로 구성된 루프(542; 940,960)으로 구성되고, 상기 레이저가 상기 루프(542; 914,918)로 및 상기 루프로부터의 광을 결합하기 위한 멀티플렉싱 결합기(520; 914,918)로 부수적으로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 레이저.
제46항에 있어서, 상기 광 파이버(310,510,610,910)이 상기 레이징 매체로 구성된 것을 특징으로 하는 광대역 레이저.
광 루프(178), 상기 광 루프(178)내로 광을 도입하기 위한 레이저(300,500,600,900), 및 상기 광 루프(178)로부터 상기 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)까지의 광의 궤환에 의해 발생된 상기 레이저(300,500,600,900)에 의해 광의 방출의 변화를 억제하기 위한 수단으로 구성되고, 상기 레이저가 광대역 방출을 지탱할 수 있는 크기인 공진 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)을 형성하는 레이징 매체, 및 상기 레이징 매체가 광대역 스펙트럼 내의 광을 방출하게 하기 위해 선택된 펌프 파장을 갖는 펌프 에너지의 소오스(360,534,638,970)으로 구성된 것을 특징으로 하는 감지기.
제48항에 있어서, 상기 억제 수단이 광 아이솔레이터(1060)으로 구성된 것을 특징으로 하는 감지기.
제48항에 있어서, 상기 억제 수단이 상기 레이저 캐비티(310,340,350; 510,520,542; 610,674,684; 910,914,918)의 광 경로 길이를 변조하도록 결합된 변조기(1100)으로 구성된 것을 특징으로 하는 감지기.