An $Er^{3+}$-doped fiber ring laser (EDFRL) was characterized to examine the possibility of gyroscope applications of a rare earth-doped fiber ring laser. The experimental setup was constructed with an erbium doped fiber, a conventional single mode fiber, directional couplers, and a wavelength division multiplexer. An argon ion laser with the wavelength of 514.5 nm or a laser diode with the wavelength of 980 nm was used as a pumping source. The ring laser operated bidirectionally in multiple longitudinal modes with stable average output power in both clockwise- and counterclockwise-propagating directions. The eigen polarization modes of the two counter-propagating laser beams were analyzed theoretically and experimentally. The analysis confirms that the gyroscope reciprocity holds in the ring laser even with a random cavity birefringence. When the two counter-propagating laser beams were combined to interfere, the output produced rotation-rate-dependent gyroscope beat signals whose frequency shifts were linearly proportional to the rotation rate according to the Sagnac effect. This indicates the possibility of a rare-earth-doped fiber ring laser gyroscope. Backscattering in the ring cavity was turned out to be the major source for the complex laser output behaviors. A coupled mode analysis for the ring cavity containing both conservative and dissipative backscattering was used to examine the laser behaviors theoretically. Owing to the contribution from the conservative backscattering, the laser output exhibited the so-called self oscillation signal whose oscillation frequency was the same as the gyroscope beat signals. The contribution from the dissipative backscattering resulted in the so-called frequency lock-in between the two counter-propagating laser beams leading to the winking phenomena. The experimental observations showed a good qualitative agreement with the theoretical results obtained from the coupled mode analysis. A push-pull phase modulation scheme was applied to reduce the effects of the backscattering. A comparison between the laser behaviors with and without the push-pull phase modulation provided additional evidences that support the validity of the theory. When the amount of the backscattering at the polished type directional coupler was larger than a certain threshold value, a self pulsing instability was observed for certain range of pump power and cavity loss. A square-type output power switching instability between the two counter-propagating laser beams occurred when the number of longitudinal modes was reduced by inserting a ring filter into the laser cavity.
희토류 첨가 광섬유를 이득 매질로 하는 광섬유 고리 레이저에서 자이로스코우프 응용이 가능한지를 조사하기 위해 어븀 첨가 광섬유 고리레이저를 연구하였다. 어븀 첨가 광섬유, 일반 단일 모드 광섬유, 방향성 결합기, 그리고 파장분할기를 용융 접속하여 고리 레이저를 구성하였으며 펌핑광으로는 파장 514.5 nm의 아르곤 레이저 혹은 파장 980 nm의 레이저 다이오우드를 사용하였다. 레이저는 다중 종모드로 시계방향과반시계방향으로 연속발진 되었다. 양방향 레이저 빛의 고유 편광모드를이론적, 실험적으로 분석하였으며, 그 결과 공진기를 이루는 광섬유가임의의 복굴절을 갖더라도 양방향 레이저의 발진 주파수가 항상 같음을보여 광섬유 고리 레이저에서 편광에 대한 자이로스코우프의 가역성이 성립함을 입증하였다. 양방향 레이저 빛을 간섭시켰을 때 회전율에정비례하는 주파수를 갖는 비트 신호를 검출하는데 성공하였으며,비례상수는 Sagnac 효과에 의한 이론적인 값과 일치함을 보였다. 이로써 희토류 첨가 광섬유 고리 레이저가 자이로스코우프로의 응용 가능성을 가짐을 입증하였다. 실험적으로 관측한 복잡한 레이저의 동작 특성들은 대부분 공진기 내부의 되반사에 기인한 것임을 밝혀 내었다. 되반사가 있는 공진기의 양방향 빛 사이의 모드 결합 방정식의 해를 통하여 이론적인 분석을 하였다. 되반사의 성분 중, 에너지 보존이 성립하는 되반사 성분의 영향으로각 방향의 레이저는 자이로스코우프 비트 신호와 같은 주파수를 갖는 자발 진동 신호를 가지게 되며, 에너지 보존이 성립하지 않는 되반사 성분에 의해 양방향 빛의 주파수 사이에 록킹 현상이 생겨 자이로스코우프 신호는 나타나지 않으며 대신에 윙킹 현상이 발생하게 됨을 보였다. 이러한 이론적 결과들은 실험적으로 관측된 현상들과 정성적으로 잘 일치하였다. 공진기에 존재하는 되반사의 영향을 줄이기 위해 공진기를 푸시-풀 변조시켜 주었으며, 변조 전, 후의 실험 결과들을 통해 모드 결합 이론의 타당성을 뒷받침하였다. 공진기 내부의 각 부분에서의 되반사량을 측정한 결과 연마형 방향성결합기에서 가장 큰 되반사가 있음을 관측하였으며, 이 값이 어떤 문턱값보다 클 때 레이저는 더이상 연속발진이 되지 못하고 자발적으로 펄스로발진하였다. 이러한 자발 펄스는 특정한 펌핑광의 세기와 공진기 손실영역에서만 관측되었다. 발진하는 종모드의 갯수를 줄이기 위해 레이저 공진기 내부에 또 하나의 고리 공진기 필터를 삽입하였다. 그 결과 기존의 고체 고리 레이저에서 관측되었던 양방향 레이저 출력 사이에 구형파 형태의 출력 스윗칭이 발생함을 관측할 수 있었다.
