KR920000569B1 - 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기 및 그 회전 감지 방법 - Google Patents

브릴루앙 링 레이저 회전 검출기 및 그 회전 감지 방법 Download PDF

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초도로우 마빈
에프. 스토크스 로렌
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더 보드 오브 트러스티스 오브 더 리랜드 스탠포드 쥬니어 유니버시티
로렌스 더블유. 오스본
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내용 없음.

Description

브릴루앙 링 레이저 회전 검출기 및 그 회전 감지 방법
제1도는 광섬유내로 광선을 유도하기 위한 광원과 광섬유 루우프를 폐쇄시키기 위한 광섬유 방향성 결합기를 도시한, 본 발명의 브릴루앙 링 레이저에 사용된 공진기의 개략도.
제2도는 제1도의 공진기에 사용하기 위한 광섬유 방향성 결합기의 한 실시예를 도시한 단면도.
제3도는 제1도의 공진기에 사용하기 위한 광섬유 방향성 결합기의 한 실시예를 도시한 사시도.
제4도는 제1도 및 제2도에 도시한 광섬유 방향성 결합기를 통해 전달되는 광파 성분의 위상을 도시한 개략도.
제5도는 공동 상승 시간과 동일한 기간동안 평형값으로 점근선적으로 증가하는 순환 전력을 도시한, 시간함수에 대한 순환 전력의 그래프도.
제6도는 예시적인 결합기 삽입 손실이 5%와 10%인 경우의 공진시의 정상화된 순환 전력을 도시한, 광섬유 루우프를 통한 위상 지연의 함수에 대한, 입력 전력에 관련해서 정상화된 포트(3)에서의 순환 전력의 그래프도.
제7도는 예시적인 결합기 삽입 손실이 5%와 10%인 경우의 공진시의 제로 출력 전력을 도시한 광섬유를 통한 위상 지연의 함수에 대한, 입력 전력에 관련해서 정상화된 출력 전력의 그래프도.
제8도는 제1도의 공진기의 한 실시예를 도시한 개략도.
제9도는 제8도에 도시한 실시예의 공진 동작을 도시한 그래프도.
제10도는 광선이 2개의 편광 모우드로 전달되도록 편광 제어기를 공진 동작시에 오배열시킨 것의 효과를 도시한, 제9도의 그래프와 유사한 그래프도.
제11a도는 석영 광섬유의 경우의 예시적인 브릴루앙 이득 곡선을 도시한 그래프도.
제11b도는 루우프의 공진 주파수를 도시한 주파수의 함수에 대한, 루우프내로 전달되는 브릴루앙 전력을 도시한 그래프도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,2,3,4 : 포트 10 : 단일 모오드 광섬유 연속 가닥
12 : 입력 단부 14,120 : 루우프 부분
16 : 출력 단부 20 : 방향성 결합기
22 : 레이저 소오스
24 : 단일 주파수, 연속파, 긴 간섭성 길이 레이저
26 : 렌즈 28 : 광 절연기
30 : 편광기 32 : 1/4 파장판
40 : 편광 제어기 50 : 광섬유 가닥
51 : 결합기 절반부 52 : 아아치형 홈
53 : 블록 54 : 상호작용 지역
70 : 베이스 72 : 직립 블록
74 : 스풀 76 : 굴대
78 : 코일 80 및 118 : 검출기
84 : 오실로스코프 86 : 3각파 발생기
90 : 위상 변조기
114 : 광섬유 에버네슨트 필드 방향성 결합기
126 : 검출 전자회로 132 : 안정화 전자회로
본 발명은 링 레이저에 관한 것으로, 특히 아-밀리와트(sub-milliwant) 펌프 임계 전력을 갖고 있는 모든-광섬유(all-fiber) 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기에 관한 것이다.
현재 시판하고 있는 링 레이저는 전형적으로 헬륨 네온 가스와 같은 매체내에 배치되고 역전달파를 안내하기 위해 링형 공동을 형성하도록 배향된 3개 이상의 반사경으로 구성되어 있다. 링형 공동이 회전하면 각각의 역전달파는 회전비에 비례하여 주파수가 전이된다. 역전달파들 사이의 주파수 차이를 측정함으로써, 링 레이저는 회전비를 나타내므로, 예를들어 관성 유도의 경우에 매우 정확한 회전 감지로서 사용될 수 있다. 이 링 레이저들이 갖고 있는 공통적인 문제는 역전달파가 주파수 고정되어 회전에 둔감하다는 것이다. 이러한 주파수 고정은 레이저를 연속적으로 진동시킴으로써(기계적으로 진동시킴으로써) 방지될 수 있으나, 기계적인 진동시스템은 부품을 이동시키지 않고도 안정하고 정확한 회전을 감지하는 링 레이저의 기본 목적을 깨뜨린다. 주파수 고정 문제는 레이저의 이득이 쌍방향이라는 사실, 즉 HeNe 원자들의 동일한 수집이 2개의 역전달파를 자극 방출시키는데 사용된다는 사실에 의해 야기될 수 있다. 따라서, 주파수 고정은 이득이 단방향성인 레이저를 사용함으로써 방지될 수 있다. 이러한 단방향성 이득을 갖고 있는 레이저의 한 형태는 자극 브릴루앙 방출 에너지가 브릴루앙 파에 관련해서 역전달되는 펌프(pump) 광파에 의해 제공되는 브릴루앙 광섬유 링 레이저이다.
종래의 브릴루앙 광섬유 레이저는 전형적으로 공진 레이저 공동이 광섬유와 부피가 큰 광학 부품으로 형성된, 손실이 많은 하이브리드(hybrid) 장치이다. 예를들어, 렌즈, 반사경, 및 비임 분할기가 긴 길이의 단일 모우드 섬유에 공통으로 결합된다. 특히 이 부품들이 충격을 받거나 진동을 받는 경우에는, 이 부품들을 일렬로 배열하며, 유지하기가 어렵다. 또한, 레이저의 공진 공동을 통해 순환되는 광선의 일주 이동 손실은 예를들어 70% 정도로 매우 크다. 결론적으로, 브릴루앙 이득을 얻기 위해서는 예를들어 10mW 정도의 높은 임계 펌프 전력이 필요하다. 매우 정교하게 구성된 종래의 브릴루앙 광섬유라고 할지라도 10mW 이상의 임계 전력이 필요하다.
그러므로, 종래의 브릴루앙 레이저는 통상적으로 펌프의 경우에, 예를들어 아르곤 가스 레이저와 같은 고전력, 단일 주파수 레이저를 사용하였다. 그러나, 이러한 레이저는 특정한 안정화 기술의 사용되지 않는한 주파수 전이 면에서 본질적으로 불안정하다. 또한, 이러한 레이저의 간섭성 길이가 비교적 짧으므로, 단일 주파수 광선의 순도가 비교적 약하다.
따라서, 헬륨네온 레이저와 같은 고안정, 저전력, 긴 간섭성 길이, 단일 주파수 레이저가 펌프로서 사용될 수 있도록 일 주 이동 공동 손실이 적은 개량된 브릴루앙 레이저가 필요하다.
본 발명의 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기는 루우프를 형성하는 광섬유 가닥, 루우프로 들어가고 나오는 광선을 결합하기 위한 제1광결합기, 루우프 주위에서 서로 반대방향으로 전달되도록 제1 및 제2광파들을 상기 결합기내로 유도하는 광원, 및 브릴루앙 파를 안내하기 위한 수단을 포함한다. 광섬유 결합기는 광학적으로 루우프를 폐쇄시키고, 루우프의 길이가 공진 공동을 형성하도록 결합기와 상호 동작하기 위해 선택된다. 발광 소오스는 루우프를 통해 전달되는 펌프 광파를 제공하기 위해 펌프 광선을 제1단부내로 유도한다. 펌프 광파는 공진 공동을 통해 순환되고, 제1단부 부분으로 인입된 펌프 광선의 세기보다 크고, 광섬유 루우프 부분내의 자극 브릴루앙 산란이, 펌프 광파의 방향 반대 방향으로 광섬유 부분을 통해 순환되고 펌프 광파에 관련해서 주파수가 전이된 브릴루앙 광파를 제공하기에 충분한 레벨로 세기를 증가시킨다.
양호한 실시예에서, 순환 펌프 광파는 다음의 식(28)에 의해 정해진 것보다 더 큰 세기를 갖고 있고, 제1단부의 펌프 광파는 다음의 식(30)에 의해 정해진 것보다 더 큰 세기를 갖고 있다. 양호한 실시예에서, 이러한 펌프 광선 세기는 10mW 미만이다. 또한, 루우프 길이는 광섬유 전송 손실이 결합시 삽입 손실과 동일하도록 양호하게 선택된다.
브릴루앙 링 레이저가 회전 검출기 형태로 되어 있는 한 실시예에서, 이러한 링 레이저 회전 검출기는 부수적으로 제2단부로부터 광선을 검출하기 위한 검출기를 포함한다. 이 실시예에서, 소오스는 제2펌프 광파를 제2단부로 유도하므로, 루우프 주위에서 2개의 펌프 광파가 서로 역전달되는데, 이 2개의 광파는 루우프의 공진 주파수이고, 루우프내의 자극 브릴루앙 산란이 대응하는 펌프 파의 방향과 반대 방향으로 각각 전달되는 2개의 역전달 브릴루앙 파를 제공하기에 충분한 세기를 갖고 있다. 브릴루앙 파는 펌프 광파 이하의 주파수에서 루우프내에서 공진하는데, 브릴루앙 파가 공진하는 주파수는 브릴루앙 파들 사이의 주파수 차이를 제공하도록 루우프의 회전에 응답하여 변하고, 이 주파수 차이는 루우프의 회전비를 나타낸다. 각각의 2개의 브릴루앙 파의 일부분은 브릴루앙 파들 사이의 주파수 차이와 동일한 비트(beat) 주파수를 갖고 있는 출력파를 형성하도록 루우프로부터 결합된다. 제2단부는 검출기로 브릴루앙 출력파를 유도하고, 검출기는 비트 주파수를 검출한다.
본 발명은 광섬유내에서 자극 브릴루앙 발진을 제공하는 방법도 포함한다. 이 방법은 광섬유로 루우프를 형성하는 단계와 광섬유 방향성 결합기로 루우프를 광학적으로 폐쇄시키는 단계를 포함한다. 이때 루우프는 브릴루앙 산란을 야기시키기에 충분한 세기를 갖고 있는 루우프의 공진 주파수를 가진 광선으로 펌프된다. 양호하게도, 루우프의 전장은 광섬유 전송 손실이 결합기 삽입 손실과 동일하도록 선택된다. 이 방법은 펌핑 단계가 루우프 주위에서 서로 반대방향으로 전달하기 위해 제1 및 제2인입 광선 펌프 파를 광섬유내로 유도하는 단계를 포함하는 경우에, 회전을 감지하기 위해 사용될 수 있다. 2개의 펌프 광파는 루우프내의 공진 주파수이고, 루우프내에서 자극 브릴루앙 산란이 제1 및 제2펌프 광파에 관련해서 각각 역전달되고 루우프내에서 공진하는 제1 및 제2브릴루앙 파를 제공하기에 충분한 세기를 갖고 있다. 이 방법은 회전을 감지하기 위해 사용될 때, 브릴루앙 파들 사이의 주파수 차이를 제공하도록 루우프를 회전시키는 단계와, 출력파를 형성하도록 제1 및 제2브릴루앙 파의 일부들 결합시키기 위해 루우프로부터 이 제1 및 제2브릴루앙 파의 일부를 결합시키는 단계를 포함한다. 이때 브릴루앙 파들 사이의 주파수 차이와 동일한 시트(seat) 주파수를 갖고 있는 브릴루앙 출력파가 검출된다.
그러므로, 본 발명의 브릴루앙 링 레이저는 완전히 광섬유로 구성된 공진 레이저 공동을 제공한다. 상세하게 말하자면, 공동은 광섬유 방향성 결합기에 의해서 접착되지 않고서 폐쇄되는 광섬유 루우프로 구성된다. 이 결합기는 양호하게도 광섬유를 통해 순환되는 광선의 일주 이동 손실이 매우 작도록 삽입 손실이 매우 작은(예를들어, 5% 이하) 동조가능한 에버네슨트 필드 결합기이다. 결론적으로, 양호한 실시예에서, 브릴루앙 레이저 동작은 10mW 미만의 펌프 전력에서 달성될 수 있으므로, 종래 기술에서는 유용하지 않았던 완전히 새로운 종류의 저임계 전력 브릴루앙 레이저를 제공한다. 양호한 실시예에서, 자극 브릴루앙 발진은 단지 0.43mW의 펌프 전력에서 관찰되었다.
브릴루앙 레이저에 필요한 임계 펌프 전력은 광섬유 루우프의 길이를 적당하게 함으로써 더욱 감소될 수도 있다. 상세하게 말하자면, 광섬유 루우프의 길이는(예를들어, 광섬유에 의한 광선의 감쇠로 인한) 광섬유 전송 손실이 결합기 삽입 손실과 동일하도록 되어야 한다.
이제부터 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이 형태 및 그외의 다른 형태에 대해서 상세하게 기술하겠다.
본 발명의 브릴루앙 레이저는 광섬유 공진기를 사용한다. 제1도에 도시한 바와 같이, 공진기는 입력 단부(12), 루우프(14) 및 출력 단부(16)을 갖고 있는 단일 모우드 광섬유 연속 가닥(10)으로 구성된다. 루우프(14)의 단부에서, 광섬유(12)는 한 측면상에 포트(1 및 2)가 있고 다른 측면상에 포트(3 및 4)가 있는 광섬유, 에버네슨트 필드, 4 포트, 방향성 결합기(20)에 의해 광학적으로 함께 결합된다. 광섬유(12)를 한 단부로부터 다른 단부까지 트레이싱(tracing)하면, 광섬유(10)이 우선 포트(1 및 3)을 통과한 후 포트(2 및 4)를 통과하므로, 루우프(14)는 포트(3 및 2)로부터 연장되고, 입력 부분(12)는 포트(1)로부터 연장되며, 출력(16)은 포트(4)로부터 연장된다.
루우프(14)를 통해 순환하기 위해 광선을 입력 광섬유 부분(12)내로 유도하도록 레이저 소오스(22)가 제공된다. 이 소오스(22)는 트로펠(Tropel) 모델 200 HeNe 가스 레이저와 같은 단일 주파수, 연속파, 긴 간섭성 길이 레이저(24)를 포함한다. 이 레이저는 632.8nm의 파장에서 단일 주파수 광선을 발생시키고 1km 이상의 간섭성 길이를 갖고 있다.
렌즈(26)은 광섬유 부분(12)내로 유도하기 위한 레이저(24)로부터의 광선을 접속시키기 위해 사용될 수 있다. 부수적으로, 편광기(30)과 1/4 파장판(32)로 구성된 광학 절연기(28)은 렌즈(26) 및 광섬유 부분(12)로부터 반사된 광선이 레이저(24)로 들어가지 못하게 하고 이것의 동작을 방해하지 못하게 하기 위해서, 레이저(24)와 렌즈(26)사이에 배치될 수 있다.
도시한 공진기 실시예에서, 광섬유(10)은 코어 직경이 4 미크론이고, 유효 코어 면적이 1.6×10-7㎠이며, 유효 굴절률이 1.46이고, 감쇠율이 8.3db/km인 ITT 단일 모우드 광섬유로 구성된다. 루우프(14)는 이 루우프(14)내의 광섬유 복굴절을 보상하기 위해 편광 제어기(40)을 포함하므로, 결합기(20)의 포트(2)에서의 순환 광선은 포트(1)에서의 레이저 소오스(22)로부터의 광선과 동일한 편광을 갖는다.
편광 제어기(40)과 결합기(20)은 부피가 큰 광학 렌즈 부품과는 다른 광섬유로 구성된다.
[결합기(20)]
공진기내의 결합기(20)으로서 사용하기에 양호한 광섬유 방향성 결합기는 1980년, 3월 29일자로 발행된 전자 공학 논문지 Electronics Letters, 제16권, 제7호, 페이지 260-261에 기술되어 있다.
제2도에 도시한 바와 같이, 결합기는 장방형 베이스 또는 블록(53A 및 53B)의 광학적으로 팽팽한 대향 표면내에 각각 형성된 종방향 아아치형 홈(52A 및 52B)내에 장착된 단일 모우드 광섬유 물질로된 2개의 예시적인 가닥(50A 및 50B)를 포함한다. 홈(52A)내에 장착된 가닥(50A)를 갖는 블록(53A)는 결합기 절반부(51A)라고 하고, 홈(52B)내에 장착된 가닥(50B)를 갖는 블록(53B)는 결합기 절반부(51B)라고 하겠다.
아아치형 홈(51A 및 52B)는 광섬유(50)의 직경보다 매우 큰 곡선 반경을 갖고 있고, 광섬유(50)이 이 홈내에 장착될 때, 홈(52)의 저부벽에 의해 정해진 통로에 일치하도록 광섬유 직경보다 약간 더 큰 폭을 갖고 있다. 홈(52A 및 52B)의 깊이는 각각의 블록(53A 및 53B)의 중심부에서의 최소로부터 각각의 블록(53A 및 53B)의 연부에서의 최대로 변한다. 이것은 유리하게도 광섬유 가닥(50A 및 50B)가 홈(52A 및 52B)에 각각 장착될 때, 블록(53A, 53B)의 중심부를 향해 점진적으로 모여지고 연부를 향해 점진적으로 갈라지게 하여, 모우드 섭동을 통한 전력 손실을 야기시킬 수 있는 광섬유(50) 방향으로의 예리한 구부러짐 또는 갑작스런 변화를 제거시킨다. 도시한 실시예에서, 홈(52)는 단면이 장방형으로 되어 있으나, U형 단면이나 V형 단면과 같은, 광섬유(50)을 수용하는 다른 형태의 단면이 선택적으로 사용될 수 있다는 것을 인지하여야 한다.
도시한 실시예에서, 블록(53)의 중심에서, 가닥(50)을 장착하는 홈(52)의 깊이는 가닥(50)의 직경보다 작고, 블록(53)의 연부에서의 홈(52)의 길이는 최소한 가닥(50)의 직경만큼 크다. 광섬유 물질은 블록(53A, 53B)의 대향 표면과 동일 평면상에 있는 각각의 타원형 평면을 형성하도록, 예를들어 중첩시킴으로써, 각각의 가닥(50A 및 50B)로부터 제거되었다. 이 타원형 표면은 광섬유 물질이 제거된 경우에, 통상적으로 “접촉 표면”이라고 불리운다. 그러므로, 제거된 광섬유 물질의 양은 블록(53)의 연부를 향한 0으로부터 블록(53)의 중심부를 향해 최대로 점진적으로 증가한다. 광섬유 물질의 이 테이퍼식 제거는 광섬유를 점진적으로 모으거나 갈라지게 만들어 역방향 반사 및 광선 에너지의 과대 손실을 방지하는데 유리하다.
도시한 실시예에서, 결합기 절반부(51A 및 51B)는 동일하고, 블록(53A 및 53)의 대향 표면을 함께 배치함으로써 조립되므로, 가닥(50A 및 50B)의 접촉 표면은 접촉 관계로 나란히 배치된다.
인덱스 정합 오일과 같은 인덱스 정합 물질(도시하지 않음)은 블록(53)의 대향 표면들 사이에 제공된다.
이 물질은 피복물의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 갖고 있고, 광학적으로 평평한 표면들이 영구적으로 함께 폐쇄되지 못하도록 작용한다. 오일은 모세관 작용에 의해 블록(53)사이로 유입된다.
상호작용 지역(54)는 가닥(50)의 접합부에 형성되어 광선을 에버네슨트 필드 결합에 의해 가닥들 사이로 전달시킨다. 적절한 에버네슨트 필드 결합을 보장하기 위해서, 광섬유(50)으로부터 제거된 물질의 량은 가닥(50)의 코어 부분들사이의 간격이 선정된“임계 지역”내에 있도록 조심스럽게 제어되어야 한다. 에버네슨트 필드는 피복내로 연장되어 각각의 코어의 외측의 거리에 따라 신속하게 감소된다. 그러므로, 각각의 코어가 다른 것의 에버네슨트 필드내에 배치될 수 있도록 충분한 량의 물질이 제거되어야 한다. 너무 적은 물질이 제거되면, 코어는 에버네슨트 필드에 바람직한 안내 모우드 상호작용을 야기시키기에 충분하게 폐쇄되지 않으므로, 불충분한 결합을 발생시킨다. 반대로, 너무 많은 물질이 제거되면, 광섬유의 전달 특성이 바뀌게되어, 모우드 섭동으로 인해 광선 에너지의 손실을 발생시킨다. 그러나, 가닥(50)의 코어들 사이의 간격이 임계 지역내에 있으면, 각각의 가닥은 다른 가닥으로부터 에버네슨트 필드 에너지의 상당 부분을 수신하여, 상당한 량의 에너지를 손실시키지 않고서, 양호한 결합을 얻을 수 있다. 임계 지역은 광섬유(50A 및 50B)의 에버네슨트 필드가 결합을 제공하도록 충분한 세기로 중첩되는 지역 즉, 각각의 코어가 다른것의 에버네슨트 필드내에 있는 지역을 포함한다. 그러나, 이미 기술한 바와 같이, 코어들이 너무 밀접하게 되면 모우드 섭동이 생기게 된다. 예를들어, 단일 모우드 광섬유내의 HE11모우드와 같은 약한 안내 모우드의 경우에, 충분한 물질이 광섬유(50)으로부터 이것들의 코어를 노출시키기 위해 제거될 때 이러한 모우드 섭동이 생기기 시작한다. 그러므로, 상당한 모우드 섭동 유발 전력 손실이 없이 결합을 야기시키기에 충분한 세기로 에버네슨트 필드를 중첩시키는 이 지역과 같은 임계 지역이 정해진다.
특정한 결합기의 임계 지역이 연장되는 것은 광섬유 자체의 파라메터와 결합기의 기하학적인 구조와 같은 상호관련된 요인의 수에 좌우된다. 또한, 스텝-인덱스 측면(step-index profile)를 갖고 있는 단일 모우드 광섬유의 경우에, 임계 지역은 매우 좁게될 수 있다. 도시한 형태의 단일 모우드 광섬유 결합기에서, 결합기의 중심부에서의 가닥들(50)사이의 필요한 중심부와 중심부간의 간격은 전형적으로, 서너개(예를들면, 2∼3개)의 코어 직경보다 작다.
양호하게도, 가닥(50A 및 50B)는 (1) 서로 동일하고, (2) 상호작용 지역(54)에서의 동일한 곡률 반경을 갖고 있으며, (3) 각각의 접촉 표면을 형성하기 위해 제거된 광섬유 물질량이 동일하다. 그러므로, 광섬유(50)은 이것들의 접촉 표면의 평면에서 상호작용 지역(54)를 통해 대칭으로 되므로, 이것들의 접촉 표면은 중첩될 경우에 동일하게 연장된다. 이것은 2개의 광섬유(50A와 50B)가 상호작용 지역(54)에서 동일한 전달 특성을 갖게 하여, 상이한 전달 특성에 관련된 결합 감쇠를 방지한다.
블록 또는 베이스(53)은 다른 적합한 강성 물질로 제조될 수 있다. 한 양호한 실실예에서, 베이스(53)은 길이가 약 2.54cm(1인치)이며, 두께가 약 10.16cm(0.4인치)인 용융 석영 유리로된 장방형 블록으로 구성된다. 이 실시예에서, 광섬유 가닥(50)은 에폭시 접착제와 같은 적당한 접착제에 의해 홈(52)내에 고정된다. 용융 석영 블록(53)의 한가지 장점은 유리 섬유의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖고 있다는 것인데, 이 장점은 특히 블록(53)과 광섬유(50)이 제조 공정중에 열처리를 받는 경우에 중요하다. 블록(53)용으로 적합한 다른 물질은 이 응용의 경우에 우수한 열 특성을 갖고 있는 실리콘이다.
제2도의 결합기는 제1도의 결합기(20)의 포트(1,2,3 및 4)에 각각 대응하는 4개의 포트(A,B,C 및 D)를 포함한다. 제2도의 사시도를 보면, 가닥(50A 및 50B)에 각각 대응하는 포트(A 및 B)는 결합기의 좌측에 있고, 가닥(50A 및 50B)에 각각 대응하는 포트(C 및 D)는 결합기의 우측에 있다. 설명을 하기 위해서, 입력 광선이 포트(A)로 인가된다고 가정한다. 이 광선은 결합기를 통과하여, 가닥(50)들 사이에 결합되는 전력 량에 따라 포트(C) 및 포트(D)로 출력된다. 이에 관련해서“결합 상수”란 용어는 전력 대 전체 출력 전력의 비를 나타낸다. 상기 예에서, 결합 상수는 포트(C 및 D)에서의 전력 출력의 합계에 대한 포트(D)에서의 전력의 비와 같게 된다. 이 비는“결합 효율”이라고도 불리우는데, 이렇게 사용될 때에는, %로 표시된다. 그러므로,“결합 상수”란 용어가 사용되면, 대응하는 예를들어, 결합 상수 0.5는 결합 효율50% 와 등가이다.
결합기는 블록(53)의 접촉 표면을 편기시킴으로써 0과 1.0 사이의 바람직한 값으로 결합 상수를 조정하도록“동조”될 수 있다. 이러한 동조는 서로 관련해서 측방향으로 블록(53)을 슬라이딩 시킴으로써 달성될 수 있다.
결합기는 방향성이 매우 크므로, 결합기의 한 측면에서 인가된 모든 전력은 결합기의 다른 측면으로 전달된다. 즉, 입력 포트(A)에 인가된 모든 광선은 포트(B)로 역방향 전달되지 않고서 포트(C 및 D)로 전달된다. 이와 마찬가지로, 포트(B)에 인가된 모든 광선은 포트(C 및 D)로 전달된다. 또한, 이 방향성은 대칭이므로, 포트(C)나 입력 포트(D)에 인가된 모든 광선은 포트(A 및 B)로 전달된다. 더욱이, 결합기는 편광에 대해 비-식별되므로, 광선의 편광을 보존한다. 그러므로, 예를들어, 수직 편광을 갖고 있는 광선 비임이 포트(A)로 입력되면, 포트(A)로부터 포트(D)로 교차결합된 광선 뿐만 아니라, 포트(A)를 통해 포트(C)로 직접 통과하는 광선은 계속 수직 편광 상태로 유지된다.
한 광섬유로부터 다른 광섬유로 교차 결합된 광선은 +π/2만큼 위상 전이되고, 교차 결합되지 않는 광선은 결합기를 통해 전달되는 동안 위상 전이되지 않는다. 그러므로, 예를들어, 광선이 포트(A)로 입력되면, 포트(D)의 교차 결합 광선은 π/2만큼 위상이 전진하고, 포트(C)를 직접 통과하는 광선은 위상이 변하지 않는다.
결합기는 전형적으로 2-3% 정도의 삽입 또는 출력 손실을 갖고 있는 저손실 장치이다. 본 명세서에서 사용되는“삽입 손실”이란 용어는 한 측면으로부터 다른 측면으로 결합기를 통과하는 광선의 실제 산란 손실을 말한다. 예를들어, 광선의 포트(A)로 인가되어 이 광선의 97%가 포트(C 및 D)에 도달하면, 삽입 손실은 0.03(3%)로 된다.“결합기 전송률”은 1-삽입 손실로서 정해진다. 그러므로, 삽입 손실이 0.03(3%)이면, 결합기 전송비는 0.97(97%)이다.
[편광 제어기(40)]
제1도의 편광 제어기(40)으로서 사용하기에 적당한 편광 제어기의 한 형태는 1980년 9월 25일자로 발행된 전자 공학 논문지(Electronics Letters), 제16권, 제20호 페이지 778-780에 기술되어 있다.
제3도에 도시한 바와 같이, 제어기는 다수의 직립 블록(72A 내지 72D)가 장착된 베이스(70)을 포함한다. 인접 블록들(72)중 인접한 블록들 사이의 스풀(74A 내지 74C)상에 각각 접선식으로 장착되어 있다. 굴대(76)은 서로 축방향으로 일렬로 배열되어 있고, 블록(72)들 사이에 회전 가능하게 장착되어 있다. 스풀(74)는 원통형으로 되어 있고 굴대(76)에 접선식으로 배치되어 있으며, 스풀(74)의 축은 굴대(76)의 축과 수직으로 되어 있다. 광섬유 부분(14, 제1도)는 굴대(76)내의 축방향 구멍을 통해 연장되고, 3개의 코일(78A 내지 78C)를 형성하도록 각각의 스풀(74) 주위에 잠긴다. 코일(78)의 반경은 광섬유(14)가 각각의 코일(78)내에 복굴절성 매질을 형성하기 위해 응력을 받도록 되어 있다. 3개의 코일(78A 내지 78C)는 광섬유(14)의 복굴절성을 조정하여 광섬유(14)를 통과하는 광선의 편광을 제어하도록 굴대(74A 내지 74C)의 축 주위에서 서로 무관하게 각각 회전될 수 있다.
코일(78)의 직경과 권선수는 외부 코일(78A 및 78C)가 1/4 파장의 공간 지연을 제공하고, 중심 코일(78B)가 1/2파장의 공간 지연을 제공하도록 되어 있다. 1/4파장 코일(78A 및 78C)는 편광의 타원율을 제어하고, 1/2 파장 코일(78B)는 편광 방향을 제어한다. 이것은 광섬유 부분(14)를 통해 전달되는 광선의 편광의 전체 조정 범위를 제공한다. 그러나, 편광 제어기는, [중심 코일(78B)에 의해 다른 방법으로 제공된]편광의 방향이 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)에 의한 편광의 타원율의 적당한 조정을 통해 간접적으로 제어될 수 있기 때문에, 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)만을 제공하도록 수정될 수도 있다는 것을 인지하여야 한다. 따라서, 편광 제어기(40)은 2개의 1/4파 코일(78A 및 78C)만을 포함하는 것으로 제1도에 도시되어 있다. 이 구성이 제어기(40)의 전체 크기를 감소시키기 때문에, 공간 제한을 포함하는 본 발명의 응용의 경우에 유리하다.
그러므로, 편광 제어기(40)은 광섬유 부분(14)를 통해 전달되는 광선의 편광을 설정, 유지 및 제어하기 위한 장치를 제공한다.
〔공진기의 동작〕
제1도를 다시 참조하면, 동작시에, 소오스(2)으로부터 광섬유 부분(12)로 유입된 광선은 결합기(20)의 포트(1)로 전달되는데, 이 경우 광선의 일부분은 포트(4)에 결합되고, 나머지 부분은 포트(3)으로 전달된다. 포트(4)에서의 광선은 광섬유 부분(16)을 통해 전달되어 광섬유(10)의 단부에서 출력된다. 그러나, 포트(3)에서의 광선은 루우프(14)를 횡단하여, 포트(2)에서 결합기로 다시 들어가는데, 이 경우 광선의 일부분은 포트(3)에 결합되고, 나머지 부분은 광섬유(16)을 통해 포트(4)로 전달된다. 루우프(14) 및 결합기(20)은 포트(2)에서 결합기로 들어오는 광선이 레이저 소오스(22)로부터 인입되는 광선과 간섭하도록 공진공동을 제공하기 위해 상호 동작한다. 이러한 간섭은 포트(3)에서 보강되고 포트(4)에서 소멸되므로, 공진공동 루우프내에 광선이 생기게 한다.
이제부터, 소오스(22)로부터 광섬유 부분(12)를 통해 포트(1)로 전달되는 광선을 입력 신호파(W1)라고 하고, 광섬유 부분(16)을 통해 전달하기 위해 포트(4)에서 나오는 광선을 출력 신호파(W0)라고 하겠다. 루우프(14)내에서 순환되는 광선은 순환파(Wc)라고 하겠다.
순환파(Wc)가 루우프(14) 주위에서 포트(3)으로부터 포트(2)로 전달되면, 이것의 전력의 일부분은 광섬유 전송 손실로 인해 손실된다.“광섬유 전송 손실”이란 용어는 광섬유를 통해 포트(3)으로부터 포트(2)로 전달되는 동안의 부분 손실을 말한다. 도시한 실시예에서, 광섬유 전송 손실은 순수하게 광섬유 감쇠의 함수이므로, 포트(2)에서와 파(Wo)의 전력 또는 세기는 포트(3)에서의 파(Wo)의 전력 곱하기 exp(-2αoL)과 동일하다. 여기서, L은 결합기(20)의 위상 전이를 제외한, 순환되는 광선의 루우프(14)의 광학 통로 길이이고, αo는 광섬유(10)의 진폭 감쇠 계수이다. 부수적인 부품(예를들어, 광섬유 편광기)가 광섬유 루우프내에 배치되면, 이 부품으로 인한 손실은 광섬유 전송 손실내에 포함된다. 부수적으로,“광섬유 전송률”이란 용어는 포트(2)에서의 순환파 전력을 포트(3)에서의 순환파 전력으로 나눈 것을 말한다. 다시 말하면, 이것은 포트(2)에 도달하는 포트(3)으로부터의 전력의 일부(즉, 광섬유 전송률=1-광섬유 전송 손실)이다.
광섬유 전송 손실에 의해 감소되는 것 이외에도, 순환파(Wo)는 결합기 삽입 손실로 인해 결합기(20)을 통과할 때마다 약간 감쇠된다. 또한, 입력파(W1)의 전력 또는 세기는 결합기(20)을 통해 전달되는 동안, 결합기 삽입 손실로 인해 손실된다. 이에 관련해서, 결합기(20)은 결합 상수와 무관한 추가된 전체 삽입 손실(γo)을 가진 무손실 장치로 모델화될 수 있다. 결합기(20)의 각각의 4개의 포트에서의 복합 진폭과 결합기 삽입 손실 사이의 관계는 다음과 같이 된다.
Figure kpo00001
여기서, E1, E2, E3및 E4는 결합기 포트(1,2,3 및 4)에서의 복합 전계 진폭이고, γo는 결합기 삽입 손실(전형적으로 2% 내지 10% 정도)이다.
결합 모우드 삽입후, 포트(3 및 4)에서의 복합 진폭은 다음과 같이 포트(1 및 2)에서의 전체 진폭에 관련된다.
Figure kpo00002
여기서, K는 세기 결합 상수이다. 결합이 K=0에 대응하지 않으면, K=1이 전체 결합을 제공한다. E2및 E3은 다음식으로도 관련된다.
Figure kpo00003
여기서,
Figure kpo00004
αo는 광섬유의 진폭 감쇠 계수이고, L은 광섬유 루우프(14)의 길이이며, n은 광섬유의 유효 굴절률이고, ω는 광 주파수이며, β는 광섬유(10)의 전달 상수이고, c는 광속이다.
완전 공진을 하기 위해, 출력파(Wo)은 0으로 되어야 하므로, E4/E1비가 0으로 되어야 한다. 따라서, γo, K, αoL 및 βL항의 E4/E1에 대해 식(2,3 및 4)를 풀고, E4/E1을 0으로 설정함으로써, 루우프 길이 L과 결합 상수 K항의 공진 상태를 알 수 있다. 공진을 하는데 필요한 한 상태는 다음과 같다.
Figure kpo00005
여기서, q는 정수이다.
그러므로, 완전 공진을 하기 위해, 결합기(20)으로 인한 위상 전이를 제외한, 루우프(14) 주위의 전체 의상 지연(βL)은 π/2 이하의 2/π 라디안 정수와 같아야 한다.
식(2 및 3)으로부터, 방향성 결합기(20)은 +π/2 위상 전이를 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 식(6)의 βL에 이 위상 전이를 추가시킴으로써, 순환파(Wc)의 전체적인 누적 위상은, 이 파가 루우프(14)를 횡단할 때(예를들어, 루우프 주위에서 루우프상의 임의점으로부터 이 임의점으로 다시 이동할 때), q(2π)와 같게 된다. 다음의 설명으로 알 수 있는 바와 같이, 루우프 길이는 광섬유(14)가 주위에 감긴 전기적으로 구동되는 PZT 실린더를 사용하여 광섬유(14)를 기계적으로 신장시킴으로써, 공진기를 조립한 후에, 이 공진 상태를 만족시키기 위해 조정될 수 있다.
식(6)에 의해 정해진 공진 상태는 결합기(20)의 π/2 위상 전이가 포트(3)에서 보강 간섭을 제공하고 포트(4)에서 소멸 간섭을 제공하기 위해 유리하게 사용되는 방법을 도시한 제4도를 참조함으로써 잘 알 수가 있다. 설명을 하기 위해서, 결합기(20)은 이 결합기(20)의 중심부에서 유효 결합 지점을 갖고 있고, 포트(1,2,3, 및 4)는 이 지점으로부터 동일한 거리로 파장의 정수배만큼 떨어져 있다고 볼 수 있다. 루우프 길이(L)은 결합 지점으로부터 루우프(14) 주위를 지나 그 결합 지점까지의 거리라고 볼 수 있는데, 이 거리는 공진하기 위해 q-1/4 파장(q는 정수)으로 되어야 한다.
제4도에 관련해서, 입력 신호파(Wi)가 0 위상을 갖고 있는 기준파라고 가정하면, 다른파(즉, Wc및 Wo)의 위상은 이 입력파(Wi)에 관련해서 정해진다. 또한, 결합기(20)을 통해 전달되는 파는 2개의 성분, 즉 첨자 “c”로 표시되는 “교차 결합”성분과 첨자 “s”로 표시되는 직통(straight through)” 성분으로 나누어진다. 그러므로, 입력파(Wi)는 포트(1)에서 포트(4)로 전달되는 교차 결합 성분(Wic)와 포트(1)에서 포트(3)으로 전달되는 직통 성분(Wis)로 나누어진다. 이와 마찬가지로 파(Wc)는 포트(2)에서 포트(3)으로 전달되는 직통 성분(Wcs)로 나누어진다.
소오스(22)가 t=0에서 온(on)된다고 가정하면, 입력파(Wi)는 결합기(20)을 통해 전달되기 위해 0 위상으로 이 결합기(20)의 포트(1)로 들어간다. 교차 결합 성분(Wic)는 포트(4)로 전달되는 동안 +π/2만큼 위상 전이되고, 직통 성분(Wis)는 포트(3)으로 전달되는 동안 위상이 변하지 않게 된다. 그러므로, 포트(3)에서의 광파(Wc)는 0 위상을 갖게 된다. 이때 이 파(Wc)는 포트(2)를 향해 루우프(14) 주위로 전달된다. 루우프 길이(L)이 식(6)에 따라서 선택되었다고 가정하면, 파(We)는 포트(2)에 도달할 때 -π/2 위상을 갖게 된다. 파(Wc)가 결합기(20)을 통해 전달되는 동안, 교차 결합 성분(Wcc)는 +π/2 위상 전이되므로 포트(3)에 도달할 때, 이것의 위상은 입력파 성분(Wis)의 위상과 같이 0으로 된다. 그러므로, 순환파 성분(Wcc)는 포트(3)에서의 입력파 성분(Wis)를 보강 간섭함으로써, 포트(3)에서의 순환파(Wc)의 세기를 증가시킨다. 한편, 순환파(Wc)의 직통 성분(Wcs)는 포트(2)에서 포트(4)로 전달될 때 위상이 변하지 않으므로, 포트(4)에서 이것의 위상은 -π/2로 유지된다. 그러므로, 이 성분(Wcs)는 +π/2 위상을 갖고 있는 교차 결합 입력 광선 성분(Wic)를 소멸 간섭한다.
결과적으로 파(Wc)가 루우프(14)를 통해 순환하면, 이 파는 포트(3)에서 입력 신호파(Wi)를 보강 간섭하고 포트(4)에서 이 입력 신호파(Wi)를 보강 간섭하고 포트(4)에서 이 입력 신호파(Wi)를 소멸 간섭하므로, 제5도에 도시한 바와 같이 평형값[Pc(eq)]가 도달할 때까지 루우프(14)내에서 순환되는 광선의 전력(세기)(Pc)를 점진적으로( 및 점근선적으로)만든다. 평형값의 63%(즉, 1-e-1)로 만들기 위해 이러한 광선에 필요한 시간은 공동 작동 시간(Tc)로 정해지고, 통상적으로는 공동 감쇠 시간이라고 불리운다.
평형값에서 완전 공진을 하여, 포트(4)에서의 출력 전력이 0으로 되게 하기 위해서는, 제2상태가 만족되어야 한다. 즉, 포트(4)에서의 직통 순환파 성분(Wcs)는 포트(4)에서의 교차 결합 입력 신호 성분(Wic)의 진폭과 같은 진폭을 가져야 한다. 이것이 생기게 하기 위해서, 결합 상수(Kr)로 조정되는데, 이 값을 “공진 결합 상수”라고 한다. E4/E1에 대해 식(2,3 및 4)를 풀고 E4/E1을 0(공진 상태)로 설정함으로써, 공진결합 상수(K) SMS 값(Kr)이 다음과 같이 되는 것을 알 수 있다.
Figure kpo00006
도시한 실시예에서, 결합기 전송률은 1-γo이고, 광섬유 전송률은 exp(-2αoL)이다. 그러므로
Figure kpo00007
도시한 실시예의 경우에, 광섬유 감쇠율은 8.3dB/km이고, 루우프(14)의 길이는 10m이므로, 2αoL은 632.8nm 의 파장에서 0.0158로 된다. 결합길 삽입 손실이 1.8%이므로, 이것은 0.976의 공진 결합 상수를 산출한다.
식(7)에 의해 공진 결합 상수를 사용하면, 식(2,3 및 4)는 입력 전력에 대해 표준화된 다음의 순환 전력(세기)와 출력 전력(세기)를 산출한다.
Figure kpo00008
여기서, Pc(3)은 포트(3)에서의 순환파(Wc)의 전력(세기)이고, Pi는 입력 신호파(Wi)의 전력(세기)이며, Po는 포트(4)에서의 출력파(Wo)의 전력(세기)이다.
βL은 식(6)에 의해 정해진 공진 상태를 만족시키도록 선택되면, 식(9)은 다음과 같이 감소된다.
Figure kpo00009
이 식은 다음의 식으로 표시될 수도 있다.
Figure kpo00010
식(6)이 만족되면, 1-Kr은 순환파(Wc)의 일주 이동 부분 세기 손실(즉, 결합기 삽입 손실+광섬유 전송 손실)과 같게 된다. 그러므로, 식(12)의 우측변은 결합기(20)과 루우프(14)에서 소모된 전체 전력을 나타낸다. 따라서, 식(12)로부터 완전 공진시에, 순환전력(Pc)는 루우프와 결합기 내에서 소모된 전체 전력이 포트(1)에서의 입력 전력(Pi)와 같도록 되어 있다는 것을 알 수 있다.
식(9 및 10)에 의해 정해진 이론상의 표준화된 순환 전력과 출력 전력은 제6도 및 제7도에, 2개의 예시적인 결합기 삽입 손실값, 즉 5% 및 10%에 대한 βL의 함수로서 도시되어 있다. 이 곡선들은 루우프 길이가 3m(2αoL=0.0057)인 경우에 대한 것이지만, 루우프 길이가 10m인 경우에도 유사한 곡선이 생기게 된다. 제6도에 도시한 바와같이, 순환 전력(Pc)는 결합기 삽입 손실에 크게 좌우되어, 10%의 삽입 손실의 경우에는 입력 전력(Pi)의 약 9배로 되고, 5%의 삽입 손실의 경우에는 입력 전력(Pi)의 거의 19배로 된다. 반대로, 출력 전력(Po)는 제7도에 도시한 바와같이 2가지 경우중의 한 경우에, 완전 공진시에, 0으로 떨어진다. 그러나, 제6도 및 제7도의 최소값과 최대값은 삽입 손실이 감소됨에 따라 예리해져서, 공동 피네스(finesse)가 결합기 삽입손실에 크게 좌우된다는 것을 나타낸다.
공동 피네스(F)는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure kpo00011
여기서, FSR은 공진 공동의 자유 스펙트럼 범위 [즉, 최소(제7도)와 최대(제6도) 사이의 거리]이고, δf는 최대 순환 전력이 1/2 (즉, 완전 공진시의 1/2전력)에서의 순환 전력 최대(제6도)의 폭이다. 자유 스팩트럼 범위(FSR)은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure kpo00012
식(9)를 1/2[Pc(3)/Pi]max와 같게 설정함으로써, 최대의 1/2에서의 전체 폭을 다음과 같이 알 수 있다.
Figure kpo00013
Kr이 1에 가까운 경우에, W는 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure kpo00014
이 추정치는 Kr이 0.8이상인 경우에 0.2%이내이다.
식(14 및 16)을 식(13)으로 치환하면, 공동 피네스는 다음과 같이 된다.
Figure kpo00015
식(8)로부터, 공진 결합 상수(Kr)이 결합기 전송률×광섬유 전송률이 동일하므로, 양(1-Kr)이 루우프(14) 주위에서의 전체 부분 손실과 같다는 것을 알 수 있다. 식(17)로부터는 이 부분 손실들이 감소함에 따라, 피네스가 증가한다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 피네스는 손실에 크게 좌우되고, 결합기 삽입 손실이나 광섬유 전송 손실, 또는 이 2개의 손실 모두를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 도시한 실시예의 경우에 피네스는 약 80이고 10m의 루우프(14)의 경우의 자유 스펙트럼 범위는 약 20.6MHz이다.
끝으로, 제5도를 참조하면, 공통 상승 시간(Tc)는 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure kpo00016
공진 효과를 위해, 레이저 소오스(22)는 CTc보다 큰 간섭성 길이를 가져야 한다.
제8도를 참조하면, 광섬유(16)의 단부에서의 출력파(Wo)의 광전력(세기)를 측정하기 위해 검출기(80)을 제공함으로써 식(9 및 10)에 의해 예상된 공진 효과를 관찰할 수 있다. 검출기(80)은 출력파(Wo)의 광학 세기에 비례하는 전기 신호를 선(82)상으로 출력한다. 이 선(82)는 오실로스코프(84)에 이러한 신호를 입력시키도록 접속되어 있다. 3각파 발생기(86)으로부터의 신호는 선(88)을 통해 오실로스코프(94)에 제공되고, 선(92)를 통해 위상 변조기(90)에 제공된다. 특정한 예에 의하면, 위상 변조기는 광섬유 루우프(14)의 일부가 주위에 26회 감긴, 직경이 7.62cm(3인치)인 PZT 실린더로 구성될 수 있다. 3각파 발생기(86)으로 부터의 신호는 방사상으로 연장하다록 PZT 실린더(90)을 구동시키므로, 발생기(86)의 주파수에서 광섬유 길이(L)을 주기적으로 변화시키도록 광섬유(14)를 선형으로 변환시킨다. 이 구성에서, 광섬유 공진기의 동작은 주사 파브리-페로트(Fabry-Perot) 간섭계의 동작과 약간 유사하다.
제9도는 광학 출력 전력(Po)을 나타내는 검출기 전류(96)의 오실로스코프 궤적과, 광섬유가 위상 변조기(90)에 의해 신장되는 량을 나타내는 3각파 발생기 신호(98)을 도시한 것이다. 신호(98)에 의해 제공된 광섬유 신장량은 파장보다 약간 더 많으므로, 제9도에 도시한 출력 전력은 광섬유가 각각 선형 신장되는 동안 2번이나 0으로 강하되어, 공진 동작을 나타낸다. 결합 상수가 공진 결합 상수(Kr)로부터 약간 변하면, 비-제로 출력 전력이 곡선(96)의 최소에서 관찰된다.
예를들어, 편광 제어기(40)에 의해 광섬유 루우프(14)내의 광선의 편광을 유지시켜야하는 중요성은 최적한 위치로부터 멀리 떨어져서 편광 제어기(40)의 1/4파 루우프를 회전시킨 결과를 도시한 제10도에 도시되어 있다. 이 도면에 도시한 바와같이, 2개의 독립 편광 모우드에 대응하는 2개의 공진 모우드가 관찰된다.
2개의 모우드는 약간 다른 전달 속도로 인해 상이한 주사 위치에서 공진한다. 각각의 공진 모우드는 한 모우드가 공진될 때 다른 모우드가 공진되지 않기 때문에 비-제로 출력 전력을 갖고 있으므로, 2개의 모우드중 한 모우드의 공진시에 비-공진 모우드의 출력 전력이 관찰된다.
〔브릴루앙 링 레이저로서의 동작〕
상술한 공진기는 루우프 길이(L)와 완전 공진용의 결합 상수(Kr)을 조정하고 소오스(22)의 전력을 임계 레벨 이상으로 증가시킴으로써 브릴루앙 링 레이저로서 동작한다. 이러한 경우에, 소오스(22)는, 광섬유 루우프(14)내의 자극 브릴루앙 발진용 펌프로서 작용한다. 따라서, 이후부터 입력 광파(Wi)와 순환 광선(Wc)를“펌프 광선”이라고 하겠다.
루우프(14)에 의해 형성된 공간 공동을 통해 순환되는 펌프전력(Pc)가 임계 레벨에 도달하면, 이러한 펌프 광선은 유리 섬유의 분자가 선정된 음향 주파수에서 진동하게 한다. 이 음향 주파수는 광섬유 물질과 펌프 광선의 파장의 함수이다. 석영 섬유 및 632.nm의 펌프 파장의 경우, 음향 주파수는 약 27.6GHz이다.
음파는 펌프 광선과 동일한 방향으로 광섬유를 통해 이동된다. 음파가 존재하면, 순환펌프 광선은 브릴루앙 산란을 야기시키도록 음파와 상호작용한다. 브릴루앙 산란 프로세스는 음파가 펌프 광선의 회절 격자로서 작용한다는 점에서 브래그(Bragg) 산란과 약간 유사하다. 음파 이외에서 역산란되는 광선은 펌프 광선에 관련해서 역전달되는 브릴루앙 파를 제공하기 위해 보강 간섭한다. 음파는 펌프 광선과 동일한 방향으로 이동하기 때문에, 역산란 광선 또는 브릴루앙 파는 도플러(doopler) 전이를 수신하므로, 이것의 주파수는 펌프 광선의 주파수보다 작다. 펌프 광선 주파수가 fP이고, 음파 주파수가 fa이면, 브릴루앙 파 주파수(fb)는 다음과 같이 된다.
Figure kpo00017
실제로, 펌프 광선은 음파의 주파수와 같은 량 만큼 펌프 파에 관련해서 주파수가 하향 전이된 브릴루앙 광파로 변환된다. 전술한 브릴루앙 산란 설명은 간단하게 기술한 것으로, 상세한 설명은 죤 윌리 앤드 손스(John Willey and sons) 사에서 1975년에 발생한 암몬 야리브(Ammon Yariv)저, 양자 전자공학(Quantum Electronics), 제2판, 페이지 490-498에 기술되어 있다.
억제된 브릴루앙 파가 공진 공동을 통해 순환되면, 이것의 전력의 일부분이 광섬유 전달 손실과 결합기 삽입 손실로 인해 각각의 순환 기간동안 손실된다. 상술한 손실 이외에도, 광섬유 루우프(14) 내의 브릴루앙 전력의 작은 부분(즉, 1-Kr)은 이 광섬유 루우프로 배출되고, 결합 상수(Kr)이 1.0미만이므로 포트(1)에서 손실된다. 결합기 전송 손실과 광섬유 전송 손실과 함께 이 손실은 폐쇄 루우프(14) 주위에서의 순환에 대한 브릴루앙 파의 전체 부분 손실인“ 결합손실”이라고 불리운다.
광섬유 공동을 통해 한번 일주 이동 (즉, 한번 완전히 순환)하는 동안 전달된 부분적인 브릴루앙 전력을 나타내기 위해“ 브릴루앙 전송률”이란 용어가 사용되므로
Figure kpo00018
브릴루앙 발진이 생기게 하기 위해, 레이저의 이득은 최소한 결합 손실을 보상해야 한다. 그러므로 억제된 브릴루앙 발진의 임계 상태는 다음과 같이 된다.
Figure kpo00019
광섬유 길이(L)에 따른 자극 브릴루앙 산란 이득은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00020
여기서, g는 광섬유의 브릴루앙 이득 계수이고, Pc는 순환 펌프 전력이며, A는 광섬유의 유효 코어 지역이고, Leff는 유효 이득 길이(즉, 감쇠 계수가 αo인 광섬유와 동일한 브릴루앙 이득을 산출하는 무손실 광섬유의 길이)이다.
Leff는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure kpo00021
(이득이 없다고 가정하면) 브릴루앙 파의 일주 이동 전송률은 광섬유 전송률[즉, exp(-2αoL)]과 포트(3)으로부터 포트(2)까지의 순수 결합기 전송률[즉, (1-γo)Kr]을 곱한 것이다. 그러므로, 자극 브릴루앙파 일주 이동 전송률은 다음과 같이 된다.
Figure kpo00022
이것은 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure kpo00023
그러므로, 식(25)를 식(24)으로 치환하면 다음과 같이 된다.
Figure kpo00024
끝으로, 식(22 및 26)을 식(21)으로 치환하면, 다음과 같이 된다.
Figure kpo00025
결합기 삽입 손실이 비교적 작은(예를들어, 0.2 이하인) 경우에, 약(1-γo)는 exp(-γo)로 추정될 수 있다. 또한, 광섬유 루우프(14)의 길이(L)이 비교적 작은(예를들어, 100m 이하인)경우에, 양(1-2αoL)은 exp(-2αoL)로 추정될 수 있으므로, Leff는 L로 추정될 수 있다. 이 추정 값들을 사용하면, 식(27)은 임계 순환 펌프 전력(pc)를 풀 수 있다.
Figure kpo00026
순환 펌프 전력(Pc)대 입력 펌프 전력(Pi)의 비는 다음과 같이 된다.
Figure kpo00027
식(29)를 식(28)으로 치환하면, 다음의 임계 입력 펌프 전력(Pi)가 산출된다.
Figure kpo00028
그러므로, 억제된 브릴루앙 발진의 경우에 이론상의 임계 펌프 전력은 식(30)에 의해 정해진 것이상으로 되어야 한다. 실제로, 실제 임계 펌프 전력은 이 이론상의 임계 펌프 전력 보다 약 2.6배가 더 큰 것으로 알려져 있다. 이 불일치는 반대 방향으로 이동되는 펌프 및 브릴루앙 전이 파가 비정합 편광을 갖게하는 광섬유 복굴절성으로 인한 것이다. 그러므로, 광섬유(10, 제1도)용으로 저 손실 편광 유지 광섬유를 사용하면 이론값에 가까운 결과를 얻게된다.
L에 관련해서 식(30)을 최소화시킴으로써, 입력 임계 펌프 전력을 최소로 하기에 적합한 광섬유 길이(Lopt)를 알 수가 있다.
Figure kpo00029
따라서, 입력 임계 펌프 전력을 최소로 하기 위해서, 광섬유 길이(L)은 한번 순환할 때 마다의 광섬유 전송 손실(2αoL)이 한번 순활할 때 마다의 결합기 삽입 손실(γo)와 같도록 선택되어야 한다. 도시한 실시예의 경우에, 최적한 광섬유(L)은 10m 정도이다.
본 발명의 브릴루앙 링 레이저는, 특히, 예를들어 관성 유도 목적을 위한, 회전 감지기로서 사용하기에 적당하다. 제12도를 참조하여 다음에 기술하는 바와같이, 루우프(14)내에 역전달 브릴루앙 파를 제공하기 위해 결합기(20)의 포트(J 및 4) 속으로 펌프 전력이 삽입된다. 평면에 수직한 축 주위에서 루우프가 회전할 때, 브릴루앙 파들 중의 한 파는 주파수가 상향 전이되고, 다른 파는 주파수가 하향 전이되므로, 이들 사이에 주파수 차이(△f)를 제공한다. 회전비(Ω)는 주파수 차이의 함수이다.
Figure kpo00030
여기서, △f는 주파수 차이이고, C는 광선의 자유 공간 속도이며, n은 광섬유의 등가 굴절률이고, r은 광섬유 루우프의 반경이며, f는 브릴루앙 파의 주파수이다.
제11a도 및 제11b도를 참조하여 브릴루앙 파가 위상 전이 하는 이유에 대해서 기술하겠다. 제11a도는 주파수의 함수로서 석영 섬유의 전형적인 방출선에 대한 브릴루앙 이득 곡선(100)을 도시한 것이다. 이 도면에 도시하고,“단일 모우드 광섬유의 브릴루앙 스펙트럼”이란 제목으로 용용 물리학 논문지(Applied Physics Letters), 제34권, 페이지 139(1979년)에 상세하게 기술된 바와같이, 석영 섬유의 경우의 브릴루앙 이득 선폭(즉, 최대의 1/2에서의 전체폭)은 약 100MHz이다. 제11b도는 주파수의 함수로서 표준화된 브릴루앙 순환 전력을 도시한 도면으로, 주파수는 제11a도에 대응한다 [즉, 루우프의 공진 주파수(102)를 도시한 도면이다]. 제11a도의 브릴루앙 이득 선폭내에는, 연속적인 주파수가 잠재적으로 존재한다. 그러나, 자극 브릴루앙 방출은 루우프(14)의 공진 주파수[102(A)-(e)]에서만 생기는데, 그 이유는 이 주파수들만 이 루우프내에서 순환하기 때문이다. 공진 공동 루우프(14)의 자유 스펙트럼 범위(FSR)가 브릴루앙 이득 곡선 선폭(예를들어, 100MHz)보다 상당히 작기(예를들어, 20.6MHz) 때문에, 다수의 공진 주파수[102(a)-(e)]가 선폭내에 존재한다. 그러므로, 브릴루앙 이득 선톡내의 루우프 공진 주파수[102(a)-(e)]사이에는, 최고의 브릴루앙 이득을 갖고 있는 이 주파수[102(C)]만이 존재하게 되고, 브릴루앙 레이저는 동종 형태의 레이저로 된다. 그러므로, 루우프(14)가 휴지 상태에 있으면, 2개의 브릴루앙 파는 브릴루앙 이득 곡선의 피크(peak)에 가장 가까운 공진 주파수[102(c)]에 대응하는 공동 공진 지점(C)에서의 주파수를 갖게 된다.
루우프(14)가 회전하면, 각각의 역전달 브릴루앙 파는, 한 파의 통로 길이가 증가하고 다른 파의 통로 길이가 감소하는 사그낙(Sagnac) 효과로 인해, 루우프(14) 주위에서 상히한 광학 통로 길이를 갖게 된다. 이 통로 길이 변화는 각각의 파의 공동 공진 주파수[102(a)-(e)]를 전이시킨다. 파가 증가된 통로 길이의 방향으로 전달되는 경우에, 공진 주파수는 제11b도에 점선으로 확대 도시된 바와같이, 양(1/2△f)만큼 하향전이된다. 파가 감소된 통로 길이의 방향으로 전달되는 경우에는, 공지 주파수가 동일량만큼 상향 전이된다.
그러므로, 이 전이된 공진 주파수에서 한 쌍의 새로운 브릴루앙 파가 생기게 되고, 이전의 공진 주파수에서의 브릴루앙 파는, 제11b도에 점선으로 도시한, 전이된 공진 주파수[102(c′)]에 대응하는, 제11a도의 공동 공진 지점(c′)에서 생기게 된다. 결과적으로, 루우프(14)가 회전하는 동안, 브릴루앙 파는 주파수로부터 상향 전이된 주파수와, 하향 전이된 주파수를 갖게 된다. 상술한 프로세스는 매우 신속하게 취해지므로, 브릴루앙 파는 주파수는 회전에 민감하게 응답한다. 루우프 회전에 의해 야기된 공지 주파수의 전이는 레이저 소오스(22)로부터의 펌핑 조명의 배-공진을 방지시킬 만큼 작다.
그러므로, 이 주파수 차이(△f)를 검출하므로써, 회전비가 확인될 수 있다. 이것은 루우프(14) 외부의 역전달 브릴루앙 파들의 작은 부분을 결합시키고, 이 파들이 비트 주파수에서 세기가 정현파 형태로 변하는 브릴루앙 출력파를 제공하기 위해 간섭하도록 이 브릴루앙 파들을 결합시킴으로써 이루어진다. 주파수 차이(△f)는 이 브릴루앙 출력파의 비트 주파수와 같으므로, 출력파 비트 주파수를 검출함으로써, 회전비를 나타낼 수 있다.
제12도를 참조하면, 포트(1,4)로부터 각각 돌출되는 광섬유부분(12,16)은 광섬유 에버네슨트 필드 방향성 결합기(114)를 통과 한다. 이 결합기(114)는, 결합 상수가 0.5로 고정되어, 광섬유(12,16)중의 광섬유를 통해 전달되는 광선의 50%가 광섬유(12,16)중의 다른 광섬유에 결합되는 것을 제외하면, 결합기(20)과 동일하다. 레이저 소오스(22)는 광섬유 부분(12) 내로 광선을 유도하도록 광학적으로 결합되고, 검출기(118)은 광섬유 부분(16)의 단부로부터 광선을 수신하도록 광학적으로 결합되어 있다. 그러므로, 제11도의 회전감지기는 레이저 소오스(22)와 검출기(118) 사이에 연속된 광섬유 가닥(10)을 사용한다.
레이저 소오스(22)는 광섬유(12) 속에 유입되는 펌프 광선을 제공한다. 이 펌프 광선이 결합기(114)를 통해 이동하면, 이 광선을 2개의 동일한 부분으로 나누어지므로, 광선이 결합기(114)에 도달할 때에는 펌프 전력의 1/2이 광섬유 부분(12)내에 있게 되고, 광선이 결합기(20)에 도달할 때에는 펌프 전력의 다른 1/2이 광섬유 부분(16)내에 있게 된다. 양호하게도, 결합기(20,114) 사이에 연장된 광섬유 부분(12,16)은 길이가 같다. 결합기(20)에서, 펌프 광선은 2개의 역전달 펌프 광파 (WP1과 WP2)를 제공하기 위해, 포트(4)로부터 포트(2)로, 뿐만아니라 포트(1)로부터 포트(2)로, 루우프(14)내로 유도된다. 루우프(14)는 공진 공동을 형성하기 때문에, 펌프 광파(WP2과 WP2)는 각각 상기 식(19)에 따라서 최대 순환 전력으로 만들어진다. 순환 펌프 전력이 식(30)을 참조하여 설명한 바와같은 브릴루앙 발진용 임계 레벨 이상이라고 가정하면, 각각의 파(WP1과 WP2)의 펌프 에너지의 일부가 역전달 브릴루앙 파(WB1과 WB2)로 변환된다. 그러므로, 파(WB1)은 파(WP1)의 전달 방향과 반대 방향으로 전달되고, 파(WB2)는 파(WP2)의 전달 방향과 반대방향으로 전달된다.
완전 공전시에, 포트(2 및 3)에서의 순환 펌프 광선은 포트 (1 및 3)에서의 인입 펌프 광선을 간섭하므로, 모든 펌프 광선은 루우프(14)에 남게되고, 포트(1 및 4)에서의 펌프 광선 출력은 0으로 된다. 반대로, 자극 브릴루앙 파(WB1과 WB2)는 (펌프 광선과 다른 주파수로 있기 때문에)인입 펌프 광선을 크게 간섭하지 않으므로, 브릴루앙 광선이 결합기(100)을 통과할 때, 1-Kr과 같은 브릴루앙 광선이 결합기(100)을 통과할 때, 1-Kr과 같은 브릴루앙 광선의 작은 부분이 이 결합기(100)에서 나오게 된다. 예를들어, 브릴루앙 파(WB)
Figure kpo00031
작은 량은 광섬유 부분(16)을 통해 전달되기 위해 포트(2와 4) 사이로 지나가게 되고, 파(WB2)의 작은 량은 광섬유 부분(12)를 통해 전달되기 위해 포트(3)에서 포트(1)로 가게 된다. 이 파(WB과 WB2)는 검출기(118)로 전달되기 위해 결합기(114)에 의해서 브릴루앙 출력파(WBo)에 결합된다.
검출기(118)은 부과된 광선의 세기에 비례하는 전류(Idet)를 선(119)를 통해 출력한다. 그러므로, 검출기 전류(Idet)는 브릴루앙 출력 파(WBo)의 세기(IB)에 비례한다. 브릴루앙 출력파의 검출된 세기는 다음과 같이 표시될 수 있다.
Figure kpo00032
여기서, IB1은 브릴루앙 파(WB1)의 세기이고, IB2는 브릴루앙 파(WB2)의 세기이며, fB1은 파(WB1)의 주파수이고, fB2는 파(WB2)의 주파수이며, fB1-fB2는 출력파(WBo)의 비트 주파수이다.
0 회전비에서(즉, Ω가 0일 때), 2개의 브릴루앙 파들의 주파수는 동일하므로, 식(33)의 간섭항(즉, cosine항)은 1로 되어, 브릴루앙 파 세기(IB)는 안정 상태 값으로 된다. 그러나, 루우프(14)가, 예를들어 화살표(122)로 표시한 바와같이 시계 반대 방향으로 회전하며, 브릴루앙 파(WB1)은 사그낙 효과로 인해 브릴루앙 파(WB2)보다 더 긴 광학 통로를 루우프(120) 주위에 갖게 된다. 광학 통로 길이의 이 변화는 자극 브릴루앙 발진용의 공진 주파수가 루우프 주위에서의 각각의 전달 방향을 변화시키게 한다. 따라서, 파(WB1)은 하향 전이된 주파수에서 공진되고, 파(WB2)는 상향 전이된 주파수에서 공진되므로, 이 파들 사이에 주파수 차이가 생기게 된다. 이 파들이 출력 브릴루앙 파(WBo)을 형성하기 위해 결합되면, 이러한 주파수 차이는 식(33)으로부터 알 수 있는 바와같이 브릴루앙 세기가 주파수 차이(즉, 비트 주파수)의 cosine 함수로서 주기적으로 변하게 한다. 선(119)상의 신호를 수신하도록 접속된 검출 전자 회로(126)은, 예를들어 제로 크로싱(zero crossing)을 검출함으로써, 브릴루앙 세기의 이 주기적인 변화의 주파수를 검출하고, 이에 응답하여 루우프의 회전 비를 나타내는 신호(Irot)를 내보내기 위해 제공된다. 실제로, 전자 회로(126)은 간섭 브릴루앙 파들의 비트 주파수를 통과시키고 검출기 전류의 저 주파수 드리프트(drift) 및 안정 상태 성분을 차단시키는 대역 통과 필터를 제공한다. 이러한 검출 시스템은 이 분야에 공지되어 있는 것으로, 예를들어, 1MHz 내지 100MHz 이상의 주파수를 검출할 수 있다.
사그낙 효과로 인해, 루우프의 회전시에 펌프 광파는 작은 사그낙 위상 전이를 하게 된다. 그러나, 이롭게도, 루우프(120)의 길이는 사그낙 간섭계의 길이(예를들어, 수천 m)보다 비교적 짧으므로(예를들어, 10m), 펌프 공선의 사그낙 위상 전이가 매우 작게되어, 펌프 광선의 공진, 또는 검출기 출력에 큰 영향을 미치지 않는다.
도시한 실시예에서, 펌프 광선과 브릴루앙 광선 사이의 비트 주파수는 검출기에 의해 감지될 정도로 높은, 약 30GHz이기 때문에, 검출기(118)에 도달하는 펌프 광선과 브릴루앙 광선 사이의 간섭은 브릴루앙파 비트 주파수를 검출하는데 큰 영향을 미치지 않는다.
도시한 실시예에서, 안정화 전자 회로(132)에 검출기 출력선(119)를 접속시키는 선(130)과, 루우프(14)내의 PZT 실린더(136)에 안정화 전자 회로(132)를 접속시키는 선(134)로 구성된 궤환 루우프는, 펌프 주파수에서 완전 공진을 하기 위해 루우프(14)의 길이를 안정화시키기 위해 제공된다. 특정한 예에 의하며, PZT 실린더(136)의 직경이 약 7.62cm(3인치)이고, 광섬유(14)는 그 주위에 26회 감긴다. 실린더(136)은 광섬유 루우프(14)의 길이를 동적으로 변화시키기 위해 선(134)상의 전압에 응답하여 광섬유(14)를 신장시킨다.
예를들어, 온도 변하로 인해 루우프 길이(L)이 공진하는데 필요한 길이로부터 변하게 되면, 펌프 전력의 일부가 브릴루앙 파를 따라 루우프로부터 결합되므로, 검출기 전류(Idet)가 증가하게 된다. 실제로, 안정화 전자회로(132)는 검출기 전류(Idet)의 저주파수 드리프트 성분을 통과시키고 브릴루앙 파(WB1과 WB2)의 간섭에 의해 생긴 고주파수 성분을 차단 시키는 저역 통과 필터를 제공한다. 전자 회로(132)는 공진을 축적하는데 필요한 양만큼 PZT 실린더(136)을 구동시키기 위해 검출기 전류의 증가에 비례하는 신호를 선(134)를 통해 내보낸다. 이 안정화 시스템 형태는 “광파 기술(Journal of lignt Wave technology)”지 제LT-1권, 1983년 3월호, 페이지 110-115에 “민감한 전체 단일 모우드, 광섬유 공진 링 간섭계”란 제목하에 기술되어 있다.

Claims (12)

  1. 루우프(14)를 형성하는 광섬유 가닥(10), 상기 루우프(14)로 들어가고 나오는 광선을 결합하기 위한 제1광 결합기(20), 광선을 검출하기위한 검출기(118), 상기 루우프(14) 주위에서 서로 반대 방향으로 전달되도록 제1 및 제2펌프 광파들을 상기 결합기(20)내로 유도하는 광원(22), 상기 루우프(14)로부터 상기 제1 및 제2 브릴루앙 파 각각의 일부분을 수신하고 브릴루앙 출력 파를 형성하기 위해 상기 브릴루앙 파들을 조합하는 제2광 결합기(114), 및 상기 검출기(118)로 상기 브릴루앙 파를 안내하기 위한 수단(16)을 포함하고, 상기 루우프(14)의 길이가 공진 공동을 형성하도록 선택되며, 상기 펌프 광파들이 상기 루우프(14)의 공진 주파수로되고, 상기 제1 및 제2펌프 광파들 각각에 대해 역전달되는 제1 및 제2 브릴루앙 파들을 제공하도록 상기 루우프(14)에서 자극 브릴루앙 산란을 발생시키기에 충분한 세기를 갖고 있으며, 각각의 상기 브릴루앙파의 주파수가 상기 루우프(14)의 회전비를 나타내는 파들 사이의 주파수 차이를 제공하기 위해 상기 루우프(14)의 회전에 응답하여 변화하고, 상기 브릴루앙 출력파가 상기 브릴루앙 파들사이의 주파수 차이와 동일한 비트 주파수를 가지며, 이 비트 주파수를 상기 검출기(118)가 검출하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  2. 제1항에 있어서, A가 상기 광섬유(10)의 유효 코어 면적이고, g가 상기 광섬유(10)의 브릴루앙 이득 계수이며, γo가 상기 제1결합기(20)의 삽입 손실이며, L이 광섬유 루우프(14)의 길이인 경우에 ; 상기 루우프(14)내에서 순환되는 제1 및 제2브릴루앙 파들의 세기(Pc)가
    Figure kpo00033
    보다 큰 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 루우프(14)내에서 자극 브릴루앙 산란을 발생시키는데 충분한 상기 펌프 전력의 세기(P1)가
    Figure kpo00034
    보다 큰 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  4. 제1항에 있어서, 광섬유 전송 손실이 제1결합기의 삽입 손실과 같도록 루우프 길이(L)이 선택되는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1단부(12)에서 상기 펌프 광파의 세기(P1)가 10mW 미만인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1광섬유 결합기(20)이 상기 제1브릴루랑 파의 상기 일부분을 상기 루우프의 제1단부(16)에 결합하고 상기 제2브릴루앙 파의 일부를 상기 루우프(14)의 제2단부(12)내에 결합하며, 상기 제1단부(12) 및 상기 제2단부(16)이 상기 브릴루앙 파 각각의 일부분을 조합하도록 상기 제2결합기(114)에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2결합기(20,114)가 에비네슨트 필드 양방향성 광섬유 결합기인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 루우프(14)내를 순환하는 상기 제1 및 제2펌프 팡파들의 공진을 안전화시키기 위한 안정화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유도 수단이 상기 제2단부(16)을 포함하고, 상기 광섬유(10)이 상기 제1 및 제2단부(12,16)사이에서 연속이고 차단되지 않는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 링 레이저 회전 검출기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 루우프(14)의 길이가 이곳을 통해 전달되는 광선 파장의 1/4 정수배와 동일한 것을 특징으로 하는 브릴루앙 레이저 회전 검출기.
  11. 광섬유(10)의 루우프(14)와 이 루우프(14)로 들어가고 나오는 광선을 결합하기 위한 광 결합기(20)을 구비한 회전 감지기를 사용하여 회전을 감지하는 방법에 있어서, 공진 공동을 형성하기 위해 상기 루우프(14)의 길이를 선택하는 단계, 상기 루우프(14) 주위에서 서로 반대방향으로 전달되도록 제1 및 제2입력 펌프 광파들을 상기 결합기(20)내로 유도하는 단계, 상기 브릴루앙 파들사이의 주파수 차이를 얻기 위해 상기 루우프(14)를 회전시키는 단계, 상기 루우프(14)로부터의 상기 제1 및 제2브릴루앙 파 각각의 일부분을 광학적으로 결합시키는 단계, 상기 브릴루앙 파들 사이의 주파수차와 동일한 비트 주파수를 갖는 브릴루앙 출력 파를 형성하기 위해 상기 제1 및 제2브릴루앙 파들의 일부분을 조합하는 단계, 및 상기 비트 주파수를 검출하는 단계를 포함하고, 상기 펌프 광파들이 상기 루우프(14)의 공진 주파수를 갖고, 상기 제1 및 제2펌프 광파들 각각에 대해 역으로 전달되는 제1 및 제2브릴루앙 파들을 제공하도록 상기 루우프(14)에서 자극 브릴루앙 산란을 발생시키기에 충분한 세기를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 감지 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 단부(12,16)을 광섬유 결합기(20)을 사용하여 상기 루우프(14)과 결합시키는 단계, 공진 공동을 형성하기 위해 상기 루우프(14)의 길이에 대한 상기 결합기(20)의 결합 상수를 선택하는 단계, 및 광섬유 전송 손실이 결합기 삽입 손실과 동일하도록 상시 루우프(14)의 길이를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 감지 방법.
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