JP2005331727A - 誘導ブリルアンレーザおよび誘導ブリルアン増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】 誘導ブリルアンレーザおよび誘導ブリルアン増幅器におけるポンプ光のパワー閾値を低減して、高出力な誘導ブリルアンレーザおよび誘導フリルアン増幅器を提供する。
【解決手段】 誘導ブリルアンレーザは、レーザ光１、レーザ光２、アイソレータ３、反射媒質４、ファイバ５、ＷＤＭカップラ６、反射媒質７などから構成される。レーザ光１は、高パワーを持つレーザ光を所定の波長のポンプ光として入力するものである。レーザ光２は、ポンプ光として入力するレーザ１より約１００ｎｍ短い波長のレーザ光を入力するものである。レーザ光１は、ファイバ５によってブリルアン散乱を起こすことになり、レーザ光１のストークス光が増幅される。更に、レーザ光２によるラマン増幅によって、レーザ光１およびそのストークス光が更に増幅される。誘導ブリルアン増幅器も同様の構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ発振器および光増幅器の構成技術に関する。

高パワーを持つ線幅の細いレーザ光をポンプ光として、ファイバに入射することにより、ポンプ光の光周波数からν_B［Ｈｚ］だけ低周波側に後方散乱されたストークス光が生じる。ポンプ光とストークス光との周波数の差であるストークスシフトν_Bは、次の式１で表される。

ν_B＝２ｎν_A／λ_P ・・・式１

式１において、ｎはファイバコアの屈折率、ν_Aはポンプ光によって作られた屈折率の回析格子の速度、λ_Pはポンプ光の波長をそれぞれ表す。
この現象をブリルアン散乱と呼び、１．５μｍの波長帯のポンプ光に対して、ストークス光は約１０ＧＨｚ程度低周波側に現れる。また、この利得スペクトル幅は約１０ＭＨｚ程度（ファイバによっては１００ＭＨｚともなりうる）であり、ν_Bをその利得ピークとしている（非特許文献１参照）。ポンプ光からストークス光へのパワーの遷移は、ポンプ光のパワーが大きいほど高効率となる。このブリルアン散乱現象を利用して、ポンプ光によるストークス光、ストークス光による高次のストークス光などにより、ν_B［Ｈｚ］間隔の複数のスペクトルピークを持つ光源を実現することができる。これを誘導ブリルアンレーザと呼び、誘導ブリルアン散乱を利用した光増幅器を誘導ブリルアン増幅器と呼ぶ。
Govind P. Agrawal, "NONLINEAR FIBER OPTICS", (米国), ACADEMIC PRESS INC. LTD, 1989年, p.265

しかしながら、従来の誘導ブリルアンレーザおよび誘導ブリルアン増幅器は、非常に高いパワーのポンプ光を入力する必要があるという問題がある。これは、レーザ光の発振を起こすために必要なポンプ光のパワー閾値（最小値）が大きいことを意味する。
レーザ共振器に数十ｍないし数ｋｍの長さの光ファイバを挿入したファイバリング構成とすることによって、ポンプ光のパワー閾値をある程度小さくすることができる。しかし、レーザの高出力化のためには、更にポンプ光のパワー閾値を低減しなければならない。

そこで、本発明は、前記問題に鑑み、誘導ブリルアンレーザおよび誘導ブリルアン増幅器におけるポンプ光のパワー閾値を低減して、高出力な誘導ブリルアンレーザおよび誘導フリルアン増幅器を提供することを課題とする。

前記課題を解決する本発明は、誘導ブリルアンレーザおよび誘導ブリルアン増幅器において、所定の長さのファイバを挿入し、更に、ポンプ光より所定の波長だけ短い波長のレーザ光を導入することにより、誘導ブリルアンレーザまたは誘導ブリルアン増幅器内をラマン増幅器とすることで実現する。

請求項１に係る発明は、光ファイバによるブリルアン散乱を用いた誘導ブリルアンレーザにおいて、所定の長さのファイバと、第１のレーザ光をポンプ光としてファイバに入射する手段と、第１のレーザ光の波長より所定の波長だけ短い波長の第２のレーザ光をファイバに入射する手段とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、誘導ブリルアンレーザは、ラマン増幅器となり、ポンプ光およびストークス光を増幅させる。また、誘導ブリルアンレーザ内で発生したストークス光に対する高次のストークス光もラマン増幅により増幅される。このようにして、ラマン増幅により、ポンプ光、ストークス光、高次ストークス光が増幅されることになる。

請求項２に係る発明は、誘導ブリルアンレーザにおいて、第２のレーザ光の出力パワーをモニタすると共に、その出力パワーを一定に保つように制御する手段を更に備えることを特徴とする。
この構成によれば、第２のレーザ光の出力パワーの揺らぎによるラマン利得の変動を抑えることになる。

請求項３に係る発明は、誘導ブリルアンレーザにおいて、第２のレーザ光の出力をそれぞれ同じ出力パワーを持つ２つの直交偏波の和とする手段を更に備えることを特徴とする。
この構成によれば、ラマン利得の偏波依存性を打ち消すことになる。

請求項４に係る発明は、光ファイバによるブリルアン散乱を用いた誘導ブリルアン増幅器において、所定の長さのファイバと、入力光よりν_B［Ｈｚ］（ν_B＝２ｎν_A／λ_P、ｎはファイバコアの屈折率、ν_Aはポンプ光によって作られた屈折率の回析格子の速度、λ_Pはポンプ光の波長）だけ高い周波数の第１のレーザ光をポンプ光としてファイバに入射する手段と、第１のレーザ光の波長より所定の波長だけ短い波長の第２のレーザ光をファイバに入射する手段とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、第１のレーザ光によるブリルアン散乱および第２のレーザ光によるラマン増幅によって、入力光が増幅されることになる。

請求項５に係る発明は、誘導ブリルアン増幅器において、第２のレーザ光の出力パワーをモニタすると共に、その出力パワーを一定に保つように制御する手段を更に備えることを特徴とする。
この構成によれば、第２のレーザ光の出力パワーの揺らぎによるラマン利得の変動を抑えることになる。

請求項６に係る発明は、誘導ブリルアン増幅器において、第２のレーザ光の出力をそれぞれ同じ出力パワーを持つ２つの直交偏波の和とする手段を更に備えることを特徴とする。
この構成によれば、ラマン利得の偏波依存性を打ち消すことになる。

請求項１に係る発明によれば、誘導ブリルアンレーザにおいて、ポンプ光のパワー閾値を低減し、高出力化を図ることができる。

請求項２に係る発明によれば、ラマン励起光源の出力パワーの揺らぎによるラマン利得の変動を抑えることができ、安定した誘導ブリルアンレーザを実現することができる。

請求項３に係る発明によれば、ラマン利得の偏波依存性をなくすことができ、安定した誘導ブリルアンレーザを実現することができる。

請求項４に係る発明によれば、誘導ブリルアン増幅器において、ポンプ光のパワー閾値を低減し、高出力化を図ることができる。

請求項５に係る発明によれば、ラマン励起光源の出力パワーの揺らぎによるラマン利得の変動を抑えることができ、安定した誘導ブリルアン増幅器を実現することができる。

請求項６に係る発明によれば、ラマン利得の偏波依存性をなくすことができ、安定した誘導ブリルアン増幅器を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。

≪基本構成と動作≫
図６を参照して、誘導ブリルアンレーザの基本構成と動作について説明する。誘導ブリルアンレーザは、レーザ光１、アイソレータ３、反射媒質４、ファイバ５、反射媒質７などから構成される。レーザ光１は、高パワーを持つ線幅の細いレーザ光を所定の波長のポンプ光として入射するものであり、例えば、半導体レーザなどによって生成される。ここで、レーザ光１は、レーザ光の光源およびレーザ光そのものを指すものとする。アイソレータ３は、レーザ光を一方向にのみ通過させる機能を持つ。図６では、左から右への方向のレーザ光を通過させ、逆に、右から左への方向のレーザ光を遮断する。反射媒質４、７は、ファイバ５をはさむように配置され、レーザ光をファイバ５側（内側）に反射すると共に、所定の透過率でレーザ光を透過する機能を持つ。ファイバ５は、数十ｍないし数ｋｍの長さの光ファイバであり、入射されたレーザ光１にブリルアン散乱を発生させる性質を持つ。なお、この構成は、一般にファブリペロー共振器と呼ばれる。

レーザ光１は、まず、アイソレータ３に入射され、安定化した所定の波長を持つレーザ光として出力される。そのレーザ光は、反射媒質４を透過すると、ファイバ５を通過して反射媒質７に到達し、その後、反射媒質４と反射媒質７との間を往復する。そのとき、レーザ光は、ファイバ５によってブリルアン散乱を起こすことになり、これによって、レーザ光１よりν_B［Ｈｚ］（式１参照）だけ低い周波数のレーザ光（ストークス光）が増幅される。そして、レーザ光１およびそのレーザ光１のストークス光は、所定の透過率で反射媒質７を透過し、出力８として生成される。なお、反射媒質４は、ファイバ５側からのレーザ光を全反射してもよいし、所定の透過率で透過してもよい。ここで、反射媒質４を透過したレーザ光は、アイソレータ３によって遮断されることになる。
この構成によっても、誘導ブリルアンレーザにおいて発振を起こすためのレーザ光１のパワー閾値（以下、「発振閾値」という）を小さくすることができるが、以下に説明する実施の形態は、更なる発振閾値の低減を図るものである。

≪誘導ブリルアンレーザの構成と動作≫
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成と動作について説明する。これは、図６に示した基本構成に対して、レーザ光２およびＷＤＭ（Wave Length Division Multiplexing）カップラ６を追加したものである。レーザ光２は、ポンプ光として入射するレーザ光１より約１００ｎｍ短い波長のレーザ光を入射するものであり、ラマン励起光源となる。レーザ光２は、例えば、半導体レーザなどによって生成される。ここで、レーザ光２は、レーザ光の光源およびレーザ光そのものを指すものとする。ＷＤＭカップラ６は、レーザ光を合波または分波するデバイスであり、ここでは、レーザ光２をファイバ５に入射させる機能を果たす。なお、ファイバ５には、数ｋｍ程度の長さで、比較的大きなラマン利得係数と比較的小さいモードフィールド径を持つ光ファイバを用いる。なお、請求項における「所定の長さ」、「所定の波長」は、それぞれ、数ｋｍ、１００ｎｍに相当する。
レーザ光２は、ＷＤＭカップラ６を介してファイバ５に入射され、ラマン増幅を起こす。すなわち、レーザ光２の波長より１００ｎｍ長い波長のレーザ光が増幅される。ここでは、レーザ光１およびそのレーザ光１のストークス光が増幅されることになる。そして、それらのレーザ光は、所定の透過率で反射媒質７を透過し、出力８として生成される。
この構成によれば、誘導ブリルアンレーザにおいて、発振閾値の低減を行うことができる。

次に、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成と動作について説明する。これは、図１に示した第１の実施の形態に対して、カップラ９ａ、フォトディテクタ９ｂおよび制御機構９ｃを追加したものである。カップラ９ａは、レーザ光を合波または分波するデバイスであり、ここでは、レーザ光２の出力部に配置され、レーザ光２の一部をフォトディテクタ９に出力する機能を果たす。フォトディテクタ９ｂは、カップラ９ａからのレーザ光の出力パワーをモニタする。制御機構９ｃは、そのモニタ値に応じてレーザ光２の出力パワーを制御する機能を持ち、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などによって実現される。
カップラ９ａは、レーザ光２の出力パワーの一部をフォトディテクタ９ｂに出力する。フォトディテクタ９ｂは、カップラ９ａからの出力パワーをモニタする。制御機構９ｃは、そのモニタ値が一定になるようにレーザ光２の出力パワーを制御する。
この構成によれば、レーザ光２の出力パワーの揺らぎによるラマン利得の変動を抑えることができ、安定した誘導ブリルアンレーザを実現できる。

続いて、図３を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成と動作について説明する。これは、図１に示した第１の実施の形態に対して、レーザ光２を出力する構成を変更したものである。具体的には、２つのレーザ光２を入力し、合波する偏波合成器１０を備える。
偏波合成器１０は、ほぼ同じ波長かつほぼ同じ出力パワーを持つ２つのレーザ光２を互いに直交する偏波状態で合波し、その合波したレーザ光をラマン励起光としてＷＤＭカップラ６に出力する。
この構成によれば、ラマン利得の偏波依存性をなくすことができ、安定した誘導ブリルアンレーザを実現できる。

≪誘導ブリルアン増幅器の構成と動作≫
図４を参照して、本発明の第４の実施の形態に係る誘導ブリルアン増幅器の構成と動作について説明する。
図４（ａ）に示す誘導ブリルアン増幅器は、レーザ光１、レーザ光２、アイソレータ３、ファイバ５、ＷＤＭカップラ６ａ、６ｂなどから構成され、光信号である入力１２を増幅して出力８とするものである。レーザ光１は、入力１２より約ν_B［Ｈｚ］（式１参照）だけ高い周波数の線幅の細いレーザ光をポンプ光として入射するものである。レーザ光２は、ポンプ光として入射するレーザ１より約１００ｎｍ短い波長のレーザ光を入射するものである。ファイバ５には、数ｋｍ程度の長さで、比較的大きなラマン利得係数と比較的小さいモードフィールド径を持つ光ファイバを用いる。ＷＤＭカップラ６ａにより、ブリルアン増幅用ポンプ光となるレーザ光１をファイバ５に導入する。また、ＷＤＭカップラ６ｂにより、ラマン励起光源となるレーザ光２をファイバ５に導入する。レーザ光１およびレーザ光２の伝播方向は、前方でも後方でも構わない。この構成は、ブリルアン励起光（レーザ光１）を前方励起、ラマン励起光（レーザ光２）を後方励起で実施したものである。なお、請求項における「所定の長さ」、「所定の波長」は、それぞれ、数ｋｍ、１００ｎｍに相当する。
まず、入力１２は、アイソレータ３を通ってファイバ５を通過する。このとき、レーザ光１によるブリルアン散乱によって、入力１２が増幅される。そして、レーザ光２によるラマン増幅によって、入力１２およびレーザ光１が更に増幅される。

図４（ｂ）に示す誘導ブリルアン増幅器は、ＷＤＭカップラ６ａ、６ｂにより、レーザ光１およびレーザ光２を合波して、ファイバ５に導入する。その合波したレーザ光の伝播方向は、前方でも後方でも構わない。この構成は、ブリルアン励起光（レーザ光１）およびラマン励起光（レーザ光２）を後方励起で実施したものである。この構成においても、レーザ光１によるブリルアン散乱およびレーザ光２によるラマン増幅によって、入力１２が増幅される。

なお、第４の実施の形態に係る誘導ブリルアン増幅器に対して、第２の実施の形態に係るモニタ機能（レーザ光２の出力パワーをモニタし、その出力パワーを制御する機能）または第３の実施の形態に係る偏波合成機能（２つのレーザ光２を互いに直交する偏波状態で合波する機能）を追加した構成としてもよい。そのモニタ機能を追加した構成によれば、ラマン励起光源の出力パワーの揺らぎによるラマン利得の変動を抑えることができ、安定した誘導ブリルアン増幅器を実現できる。また、その偏波合成機能を追加した構成によれば、ラマン利得の偏波依存性をなくすことができ、安定した誘導ブリルアン増幅器を実現できる。

≪その他の実施の形態≫
以上本発明について好適な実施の形態について一例を示したが、本発明は前記実施の形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。例えば、図５に示すようなリングレーザにも適用可能である。

図５を参照して、本発明のその他の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザ（リングレーザ）の構成と動作について説明する。
図５に示すように、リングレーザは、レーザ光１、レーザ光２、アイソレータ３、ファイバ５、ＷＤＭカップラ６ａ、６ｂ、方向性結合器１１などから構成される。ＷＤＭカップラ６ａは、出力８を制御するものであり、ここでは、方向性結合器１１からのレーザ光を出力８とする機能を持つ。また、ＷＤＭカップラ６ａは、アイソレータ３からのレーザ光を方向性結合器１１に出力する機能を持つ。ＷＤＭカップラ６ｂは、ファイバ５にレーザ光２を導入するものである。方向性結合器１１は、４つの入出力ポートを持つ光分配器であり、左側のポートからの入力を右側のポートに出力し、右側のポートからの入力を左側のポートに出力する機能を持つ。図５では、方向性結合器１１は、ポートＡおよびポートＢからの入力をポートＣおよびポートＤに出力し、ポートＣおよびポートＤからの入力をポートＡおよびポートＢに出力する。

まず、レーザ光１は、アイソレータ３、ＷＤＭカップラ６ａ、方向性結合器１１およびＷＤＭカップラ６ｂを通過して、ファイバ５に入射される。これによって、ブリルアン散乱光（ストークス光）が逆方向に発生する。また、ラマン励起光源であるレーザ光２がＷＤＭカップラ６ｂを介してファイバ５に入射される。これによるラマン増幅によって、レーザ光１およびそのレーザ光１のストークス光が増幅される。
ここで、方向性結合器１１の動作について説明する。ポートＤは、何も接続されていないので、入力はないものとする。ポートＡおよびポートＢからの入力は、ポートＣおよびポートＤに出力される。一方、ポートＣからの入力は、ポートＡおよびポートＢに出力される。このとき、ポートＡへの出力とポートＢへの出力とは、ポートＣからの入力を所定の割合で分配されたものとなる。したがって、ポートＣからの入力の所定分が、ポートＡから出力され、ＷＤＭカップラ６ａを介して出力８となり、残りの分がポートＢから出力され、ファイバ５に入射されるので、図１ないし図３のように反射媒質４、７を用いた場合と同様に、レーザ光の通過、増幅、透過および出力が行われることになる。

本発明の第１の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る誘導ブリルアン増幅器の構成を示す図である。（ａ）は、前方および後方で励起する構成を示す。（ｂ）は、後方で励起する構成を示す。 本発明のその他の実施の形態に係る誘導ブリルアンレーザの構成を示す図である。 誘導ブリルアンレーザの基本構成を示す図である。

符号の説明

１ レーザ光（ポンプ光）
２ レーザ光（ラマン励起光）
３ アイソレータ
４、７ 反射媒質
５ ファイバ
６、６ａ、６ｂ ＷＤＭカップラ
８ 出力
９ａ カップラ
９ｂ フォトディテクタ
９ｃ 制御機構
１０ 偏波合成器
１１ 方向性合成器
１２ 入力

Claims (6)

1. 光ファイバによるブリルアン散乱を用いた誘導ブリルアンレーザにおいて、
   所定の長さのファイバと、
   第１のレーザ光をポンプ光として前記ファイバに入射する手段と、
   前記第１のレーザ光の波長より所定の波長だけ短い波長の第２のレーザ光を前記ファイバに入射する手段と、
   を備えることを特徴とする誘導ブリルアンレーザ。
2. 前記第２のレーザ光の出力パワーをモニタすると共に、その出力パワーを一定に保つように制御する手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の誘導ブリルアンレーザ。
3. 前記第２のレーザ光の出力をそれぞれ同じ出力パワーを持つ２つの直交偏波の和とする手段を更に備えることを特徴とする請求頑１に記載の誘導ブリルアンレーザ。
4. 光ファイバによるブリルアン散乱を用いた誘導ブリルアン増幅器において、
   所定の長さのファイバと、
   入力光よりν_B［Ｈｚ］（ν_B＝２ｎν_A／λ_P、ｎはファイバコアの屈折率、ν_Aはポンプ光によって作られた屈折率の回析格子の速度、λ_Pはポンプ光の波長）だけ高い周波数の第１のレーザ光をポンプ光として前記ファイバに入射する手段と、
   前記第１のレーザ光の波長より所定の波長だけ短い波長の第２のレーザ光を前記ファイバに入射する手段と、
   を備えることを特徴とする誘導ブリルアン増幅器。
5. 前記第２のレーザ光の出力パワーをモニタすると共に、その出力パワーを一定に保つように制御する手段を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の誘導ブリルアン増幅器。
6. 前記第２のレーザ光の出力をそれぞれ同じ出力パワーを持つ２つの直交偏波の和とする手段を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の誘導ブリルアン増幅器。

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