JP2017527124A - 非線形スペクトル狭窄ファイバ増幅器 - Google Patents

Abstract

光シード・ビームを供給する少なくとも１つのシード・ソースと、所定の周波数で正弦波駆動信号を供給する高調波ドライバとを含むファイバ増幅器システムを提供する。本システムはまた、シード・ビームおよび駆動信号に応答する高調波位相変調器を含み、該高調波位相変調器は、駆動信号を用いてシード・ビームを周波数変調して、シード・ビームの０次周波数から光パワーを除去すると共に、駆動信号の周波数によって分離されるサイドバンド周波数を発生する。分散素子は、周波数変調されたシード・ビームを受け取り、シード・ビームに時間的な振幅変調を提供する。非線形ファイバ増幅器は、分散素子から振幅変調されたシード・ビームを受け取り、該シード・ビームを増幅し、ここでは、分散素子およびファイバ増幅器が結合して、サイドバンドから光パワーを除去すると共に光パワーを０次周波数に戻す。【選択図】図１

Description

[0001] 本発明は全般的に、より高いパワーおよびより狭いライン幅を有するファイバ・レーザ増幅器に関するものである。更に特定すれば、ＲＦ周波数変調（ＦＭ）信号をシード・ビームに印加して、０次(zeroth-order)周波数から光パワーを除去すると共に、ビームの高調波サイドバンドを発生する高調波位相変調デバイスを含むファイバ・レーザ増幅器に関するものである。ここでは、変調されたビームは、非線形増幅器によって増幅される前に時間的に分散される。

考察
[0002] 高パワー・レーザ増幅器は数多くの用途を有し、産業的、商業的、軍事的等を含む。レーザ増幅器の設計者は、これら用途および他の用途のためにレーザ増幅器のパワーを増加させる手法を継続的に研究している。ある公知の種別のレーザ増幅器は、シード・ビームおよびポンプ・ビームを受け取り、シード・ビームを増幅させると共にレーザ・ビームを発生させる添加(doped)ファイバを採用するファイバ・レーザ増幅器である。ここでは、ファイバは約１０−２０μｍまたはこれよりも大きいアクティブ・コア径を有する。

[0003] ファイバ・レーザ増幅器の設計の改良によって、その実際のパワーおよびビーム品質の限界に近づけるようにファイバの出力パワーを増加させてきた。ファイバ増幅器の出力パワーを更に増加させるために、ファイバ・レーザ・システムの中には多数のレーザ増幅器を採用するものもあり、何らかの方法で増幅されたビームを結合して、より高パワーを発生させる。この種別のファイバ・レーザ増幅器システムの設計課題は、ビームを小さい焦点スポットにフォーカスできるようにビーム径にわたり均一の位相を有する単一ビーム出力をビームが供給する手法で、複数のファイバ増幅器からのビームを結合することであり、長い距離（遠距離フィールド(far-field)）で小さいスポットに結合ビームをフォーカスすることにより、そのビームの品質が決定される。

[0004] ある公知のマルチ・ファイバ増幅器の設計では、マスタ発振器（ＭＯ）がシード・ビームを発生する。シード・ビームは、それぞれが共通波長を有する複数のファイバ・シード・ビームに分割され、各ファイバ・ビームが増幅される。次いで、増幅されたファイバ・シード・ビームは平行にされ(collimated)、回折光学素子（ＤＯＥ）に向けられる。ＤＯＥはコヒーレントなファイバ・ビームを単一の出力ビームに結合する。ＤＯＥは、当該素子に向けて形成される周期構造を有する結果、それぞれが僅かに異なる角度方向を有する個々のファイバ・ビームが当該周期構造によって再び向けられるときに、全てのビームはＤＯＥから同一方向に回折する。各ファイバ・ビームは位相変調器に供給される。位相変調器は、全てのファイバ・ビームの位相によってコヒーレント性が維持されるようにビームの位相を制御する。しかしながら、帯域幅および位相誤差の制限により、コヒーレントに結合されることができるファイバ・ビームの数を制限する。つまり、レーザの出力パワーを制限する。

[0005] 他の公知のマルチ・ファイバ増幅器の設計では、複数のマスタ発振器（ＭＯ）が複数の波長で複数のファイバ・シード・ビームを発生する。ここでは、各ファイバ・ビームが増幅される。次いで、増幅されたファイバ・シード・ビームは平行にされ、回折格子または他の波長選択素子に向けられ、異なる波長のファイバ・ビームを単一の出力ビームに結合する。回折格子は、当該素子に向けて形成される周期構造を有する結果、それぞれが僅かに異なる波長および角度方向を有する個々のファイバ・ビームが当該周期構造によって再び向けられると、全てのビームが回折格子から同一方向に回折する。しかしながら、帯域幅に帯する制限が、波長結合されることができるファイバ・ビームの数を制限する。つまり、レーザの出力パワーを制限する。

[0006] これらの制限を解消し、レーザ・ビーム・パワーを更に増加させるために、異なる波長でシード・ビームを発生させる多数のマスタ発振器が提供される。ここでは、個々の波長シード・ビームのそれぞれが、ファイバ・シード・ビームの数に分割され、また、ファイバ・ビームの各グループが同一の波長を有して相互にコヒーレントとなる。各波長でのコヒーレントなファイバ・シード・ビームの各グループは、最初にＤＯＥによってコヒーレントに結合される。次いで、コヒーレントに結合されたビームの各グループは、僅かに異なる角度でスペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）グレーティングに向けられる。ＳＢＣグレーティングは、多数の波長における単一の結合ビームと同一方向にビームを回折させる。ＳＢＣグレーティングはまた、異なる波長でビームを結合する周期構造を含む。

[0007] ファイバ増幅器からの出力ビームは、ビーム品質を改良するために狭いライン幅となる、即ち、狭い周波数範囲を有することがしばしば望まれる。しかしながら、高いパワー且つ狭いライン幅の両方を提供することは、これまでの従来技術では課題であった。何故ならば、より高いパワーが通常はより広いビーム・ライン幅を必要とするので、それら要件は通常、相互に非コンパチブルであるからである。更に特定すれば、誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）の現象、即ち、ビームがファイバ増幅器に沿って伝搬するときのビームの後方散乱が、より狭いライン幅且つ小さい周波数範囲で増加する。このことは、ビーム・パワーを減少させるように作用する。しかしながら、ビーム・ライン幅がより広くなる程、公知のビーム結合技術を通じて、多数ファイバからのビームを単一ビームにコヒーレントに結合またはスペクトルで結合することはより困難である。特に、ＳＢＣグレーティングからの分散効果は、増幅されているビームのライン幅が狭いことを要件とする。ここでは、スペクトル分散(spectral dispersion)によって、ビームのスペクトル成分(spectral content)が異なる角度で回折される。換言すれば、ＳＢＣについて、シード・ビームのスペクトル輝度が、結合されたビーム出力の理論輝度を直接的に制限する。

[0008] コヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）について、シード・ビームのスペクトル輝度が、増幅器間のグループ遅延および分散の不完全な整合が原因で結合効率を制限する。通常、ソース・スペクトル輝度はＳＢＳによって制限される。また、ファイバ増幅器へのシード・ビーム・ソースは、ピークＳＢＳ利得を減少させ、且つ所望の出力パワーを達成するために、周波数変調されなければならない。ＦＭスペクトル拡幅(broadening)は、単一のファイバ増幅器から到達可能なスペクトル輝度を制限する。つまり、システム出力を制限する。

[0009] 公知のファイバ・レーザ増幅器システムにおけるこれら制限を解消するために、ファイバ増幅器の設計者は通常、周波数変調を通じてライン幅を減少させるために、ファイバ増幅器の増幅段よりも前に１つ以上の位相変調器を採用する。しかしながら、ビームが増幅されるよりも前に一旦変調がビームに適用されると、ビームのスペクトル成分についてのこの拡幅は、増幅器を通じて遂行され、低いスペクトル輝度で増幅されたビームの結果となる。

したがって、従来技術において、ＦＭ拡幅によって現在取得可能なより高いスペクトル輝度を有するファイバ増幅器に対するニーズがある。

図１は、ファイバ・レーザ増幅器システムの入力部の概略ブロック図である。 図２は、水平軸に周波数を、垂直軸に光パワーを有し、ＦＭ変調された光線ビームのスペクトルを示すグラフである。 図３は、水平軸にファイバ長を、垂直軸の左にビーム・パワーを、また垂直軸の右にＢ積分(B-integral)を有し、増幅される光パワーをファイバ・レーザ増幅器の長さ沿って示すグラフである。 図４は、水平軸に周波数を、垂直軸に光パワーを有し、ファイバ増幅器に沿って異なる長さで０次(zeroth-order)周波数の光パワーを示すグラフである。 図５は、水平軸に周波数を、垂直軸に光パワーを有し、ファイバ増幅器に沿って異なる長さで０次周波数の光パワーを示すグラフである。 図６は、水平軸に周波数を、垂直軸に光パワーを有し、ファイバ増幅器に沿って異なる長さで０次周波数の光パワーを示すグラフである。

[0014] 本発明の実施形態に関する次の検討は、ビームに対する高調波ＦＭ変調の採用を含んだファイバ・レーザ増幅器に向けられるが、その性質上、単なる例示に過ぎず、如何なる場合も本発明或いはその用途および使用法を限定することを意図するのではない。

[0015] 上述したように、ファイバ・レーザ増幅器は、高いパワーおよび狭いライン幅の間がコンパチブルではないので、出力パワーおよびビーム品質において制限される。これらの制限を解消するために、本発明は、高いパワーのファイバ増幅器における固有分散(intrinsic dispersion)および光学カー非線形性(optical Kerr nonlinearity)をレバレッジして、高調波周波数変調された（ＦＭ）ブロードバンド・レーザ・ビーム・ソースをスペクトルで圧縮することを提案するものである。

[0016] 図１は、このようなファイバ・レーザ増幅器を示すファイバ・レーザ増幅器システム１０の一部の概略ブロック図である。レーザ・システム１０はマスタ発振器１２を含み、特定の波長でシード・ビームを発生させる。シード・ビームは、補助ＲＦ電気光学変調器（ＥＯＭ）１４に供給される。補助ＲＦ電気光学変調器（ＥＯＭ）１４は、変調を提供するために補助ＲＦドライバ・デバイス１６によって制御される。ＥＯＭ１４およびＲＦドライバ・デバイス１６の組み合わせにより、周波数変調の拡幅（例えば、ホワイト・ノイズまたは疑似乱数ビット・シーケンス（ＰＲＢＳ））を提供する従来の技術を提供する。また、この組み合わせは、増幅器システムの中には、必要とされずまたは要求されないものもある。次いで、マスタ発振器１２から変調された光ビームは、変則分散ブロック１８によって分散されて、変調および分散された光シード・ビームを発生させる。システムの中にはまた、分散ブロック１８を必要としないものもある。

[0017] 次いで、シード・ビームは、進行波の高調波位相変調器２０（例えば、ＥＯＭ）に送られ、シード・ビームの周波数変調を提供する高調波ＲＦドライバ２２から高調波正弦波ＲＦ駆動信号を受け取る。本明細書での考察目的のための１つの非限定的な例では、ドライバ２２によって供給される正弦波ＲＦ信号は３２ＧＨｚである。これは、シリコン・ファイバにおいてＳＢＳによって生じる散乱周波数の２倍である。しかしながら、他の高周波数正弦波駆動信号がまた様々な用途で採用できることが強調される。位相変調器２０によって提供される高調周波数変調は、光シード・ビームを発生する。光シード・ビームは、駆動信号の周波数および振幅によって規定される、離間されるスペクトル成分またはサイドバンドを含む。本明細書で説明する非限定的な例では、シード・ビームのスペクトル成分は、３２ＧＨｚで分離される周波数スパイクを含む。

[0018] 図２は、水平軸上のマスタ発振器周波数および垂直軸上の光パワーに関する周波数シフトについてのグラフである。この例では変調度(modulation depth)β＝２．４ラジアンを含む周波数変調の後のシード・ビームにおけるスペクトル成分を示す。ここでは、グラフの周波数サイドバンドは、３２ＧＨｚによって分離される主０次(zeroth-order)周波数の高調波である。また、変調器２０に入るシード・ビームの０次(zeroth-order)周波数はゼロとなるであろう。ドライバ２２からのＲＦ駆動信号の振幅は、周波数成分がゼロ周波数位置で要求されるかどうか、およびサイドバンドの周波数スパイクの数および振幅に従って選択される。ここでは、より高いマグニチュード信号がより大きなサイドバンドを発生させることになる。駆動信号の振幅が増加するにつれ、より多くの光線が０次周波数帯から散乱されるようになり、そして、より多くのサイドバンドが生成される。例えば、駆動信号の振幅は、位相変調器においてシード・ビームの０次周波数から全てのパワーを除去するように選択されてもよい。代替では、駆動信号の振幅は、位相変調器においてシード・ビームの０次および＋／−１次周波数で同等の振幅パワーを発生するように選択されてもよい。

[0019] 変調器２０からの周波数変調されたシード・ビームは、次いで、分散素子２４を通じて送られる。分散素子２４は、シード・ビームが有するスペクトル成分について時間的な分散を提供する。ここでは、シード・ビームが有するより高い周波数およびより短い波長のスペクトル成分が、より低い周波数およびより長い波長のスペクトル成分に対して遅延される。シード・ビームのより短い波長は、該ビームが伝播するにつれてシード・ビームのより長い波長に対して遅延されると、シード・ビームのスペクトル成分が相互に干渉して、当初の変調周波数（この例では３２ＧＨＺ）で時間ドメインのパワー発振を発生する。分散素子２４によってどれくらいの分散が提供されるかが、ビーム内におけるパワー発振の振幅を制御する。つまり、モジュレータ２０によって供給される周波数変調されたシード・ビームは、分散素子２４よりも後に振幅変調（ＡＭ）されたシード・ビームへと変換される。

[0020] 次いで、ＡＭシード・ビームはファイバ増幅器２６に送られる。ファイバ増幅器２６は、複数のファイバ増幅段(amplification stage)としてもよく、各増幅段は、ポンプ・ビームおよび添加ファイバ長さ（例えば、１０ー２０μｍコアを有するファイバのイッテルビウム（Ｙｂ）添加長）を含む。ファイバ増幅器２６の非線形カー効果のために、光ビームにおけるより高い位相シフトがより高いパワーで生じ、ＡＭ変調されたパワー発振におけるインタラクションによって、ファイバ増幅器２６においてビームの同期位相シフトが発生される。したがって、増幅器２６の非線形位相シフトに関連して分散素子２４によって供給される分散の量を調整する(tailor)ことによって、変調器２０によって提供される高調波周波数変調をキャンセルすることができる。なお、実際のところは、分散素子２４の機能性は増幅器２６に当然に存在できることが留意される。何故ならば、ファイバ増幅器２６におけるファイバの長尺によって分散が課されるからである。

[0021] この効果を通じて光信号の高調波変調をキャンセルすることによって、光ビームにおけるパワーの全部またはほとんどは、当初のビームが有する０次周波数に戻されることができる。増幅器２６の入力および出力間におけるスペクトルの変化は、ファイバ増幅器２６の長さの点で異なる位置から後方散乱されたＳＢＳのスペクトルの重なりを減少させる。このことは、高調波変調しないシード・スペクトルと比較して、ＳＢＳ閾値を増加させる。換言すれば、シード・ビームが分散素子２４に入るときに０次周波数でのビームのスペクトル成分が存在しない結果、当該周波数での光線の後方散乱は存在しない。また、ビームがファイバ増幅器２６を通じて進行するにつれて光パワーが０次周波数に戻されると、ＳＢＳは増加するが、ビーム伝播時のより早期における０次周波数の光パワーの減少によってＳＢＳは制限される。

[0022] 上述したファイバ・レーザ増幅器システム１０は、如何なる好適なファイバ増幅器システムの一部とすることができる。当業者は、様々なコンポーネントが如何に本明細書で検討と整合して配置されることになるかについて理解するであろう。例えば、ファイバ増幅器システム１０がコヒーレント・ビーム結合（ＣＢＣ）ファイバ増幅器システムの一部である場合には、周波数変調されたシード・ビームは、変調器２０の後に多数のチャンネルに分割されることになる。ここでは、各増幅器のチャンネルは別個の分散素子２４および別個の非線形ファイバ増幅器２６を含むことになる。各チャンネルはまた位相アクチュエータを含むことになる。更に、分散素子２４の一部または全部は、共通の分散ブロックで実装することもでき、次いで、全てのファイバ増幅器に供給するように分割することもできる。ファイバ増幅器システム１０がスペクトル・ビーム結合（ＳＢＣ）ファイバ増幅器システムの一部である場合には、多数のファイバ増幅器システム１０が存在し、各々が異なる波長で動作し、共通のコンポーネントを有しないことになる。

[0023] １．３μｍ未満のレーザ波長では、分散素子２４は、多段ファイバ増幅器で設けられる、正常に分散される能動添加ファイバの長さとしてもよい。つまり、同時に低い電力増幅および分散を提供する。大部分のファイバが変則分散を示す１．３μｍより大きいレーザ波長について、分散素子２４は、デバイス（例えば、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）または自由空間グレーティング・ストレッチャ）としてもよい。当該デバイスは、如何なる変則分散もキャンセルし、分散素子２４を通じた伝播の後に最終的な正常分散を得る。

[0024] 図３は、水平軸にファイバ長を、垂直軸の左に光パワーを、および垂直軸の右にＢ積分(B-integral)を有するグラフであり、上述したファイバ増幅器システムにおいてＳＢＳの低減を提供するサイドバンド抑制を通じた非線形スペクトル狭窄化を示す。図３のグラフは、多段ファイバ増幅器における最終段のファイバ増幅器の長さを表す。ライン３０はファイバにおける増幅パワーを表す。ライン３２はファイバにおけるＢ積分を表し、これは、ファイバにおける累積の非船形強度の測定値である。グラフ・ライン３４は、ビームが有する０次スペクトル高調波での光パワーである。

[0025] 図４から図６は、最終段でのファイバ増幅器の長さに沿った異なる位置における、水平軸に周波数を、垂直軸に光パワーを有するグラフである。特に、図４は、ライン３４上の位置３６でのものを示す。位置３６は、ファイバ増幅器２６の開始部であり、ファイバの０次周波数において０％の光パワーが存在する図５は、ファイバ増幅器２６への６．５メートルの位置３８で、１８％の０次周波数の光パワーが存在することを示す。図６は、ファイバ増幅器２６への１３メートルの位置４０で、９５％の０次周波数の光パワーが存在することを示す。

[0026] この例では、シード・ビームは最初に、基本周波数からパワーの全てを除去するように変調される。そして、パワーは、シード・ビームが増幅されてＢ積分が増加するように、基本次数へとスペクトルで圧縮される。ファイバ増幅器２６の如何なるポイントから後方散在されるＳＢＳストークス光線は、そのポイントにおけるローカル・スペクトルを表すことになる。ファイバ増幅器２６の多くを通じて前方に伝播するビームは、ファイバ増幅器２６の出口端の近辺で後方散乱される戻り波(return wave)との間でとても低いスペクトルの重なりを有するので、ＳＢＳ利得は、サイドバンド無しのものよりも非常に低くなる。このことは、ＳＢＳの閾値を増加させ、また、ＳＰＭ圧縮のないＦＭ用の従来技術よりも高いスペクトル輝度の出力を可能にする。更には、ＳＢＳストークス・シフトの２倍（即ち、３２ＧＨｚ）となる変調周波数という賢明な選択によって、ＳＢＳ閾値を減少させることから自己シード効果(self-seeding effect)を取り除くことができる。

[0027] 基本振動数（０次）への最大圧縮効率を確実にするために、ＳＰＭのマグニチュードは、増幅器２６よりも前に、分散ＡＭを増加または減少するファイバを追加しまたは取り去ることの何れか、或いは、増幅器２６の後に、Ｂ積分を増加するパッシブ・デリバリ・ファイバを追加することによって調整することができる。

[0028] 本明細書において考察される変調技術は、出力される増幅ライン幅を増加させることなく、入力されるシード・スペクトル輝度を減少させ、且つ、前方および後方散乱されるＳＢＳ光線間のスペクトルの重なりを減少させる。このことは、非線形圧縮がない従来型のＦＭ拡幅と比較して、ＳＢＳ閾値を実質的に増加させることになる。ファイバ長、分散係数、非線形性、変調度および変調周波数について必要となるパラメータは、偶然にも、実証された商用ファイバ増幅器、ＥＯＭおよびＲＦエレクトロニクスとの間でコンパチブルな範囲内にある。

[0029] 上述したプロセスは、ブロードバンド非高調波ＦＭを介したＳＢＳ抑制用の従来技術と組み合わせて作用する。例えば、補助ＦＭフォーマット（例えば、ホワイト・ノイズ・ソース（ＷＮＳ）または疑似乱数ビット・シーケンス（ＰＲＢＳ）周波数変調）は、分散媒体（これは、ＥＯＭ１４およびドライバ１６によって示される）よりも前でＭＯ１２を広げる(broaden)ために連続して適用することができる。ＷＮＳまたはＰＲＢＳのスペクトル幅がサイドバンドの変調のものと比較して小さい限り、分散を引き起こすＦＭからＡＭへの変換と、それに伴う非線形のＡＭからＦＭへの変換とは共に、サイドバンドによって支配されることになる。つまり、補助的にＦＭ拡幅スペクトルの回復を可能にする。このことは、ＷＮＳ／ＰＲＢＳ変調からのＦＭを表す、グローバルで時間依存の位相ベクトルによる次の乗算式（４）によって理解することができる。この位相ベクトル期間は、ＷＮＳ／ＰＲＢＳＦＭが単に如何なる分散もなく出力に伝播することを示す次の数式（６）における指数には現れない。

[0030] より一般的なケースでは、補助ＦＭバンド幅がＦＭ高調波変調周波数と同等であるかこれより更に大きく、補助分散ブロック１８が用いられることがある。補助分散ブロック１８は、主要な分散素子２４を事前補償（キャンセル）するために変則的な（逆符号の）分散を課す。したがって、高調波スペクトル圧縮のために必要とされる所望の高調波ＡＭに影響を及ぼすことなく、最後の非線形素子において補助ＦＭフォーマットから生じる如何なるＡＭも取り除く。

[0031] 上述したシード・ビームの変調技術は、数学的には次のように表現される。
単一周波数ビームを角周波数ω_０で発するＭＯシード・レーザは、変調器２０によって変調度βおよび変調角周波数ω_ｍｏｄを用いて次のように位相変調される。

[0032] このビームは、ヤコビ・アンガー等式を用いて高調波の重ね合わせとして次のように展開することができる。

[0033] ここで、Ｊ_ｎは、第１種ベッセル関数であり、高調波周波数は次のように定義される。

[0034] 図２に示した変調パラメータについて、総スペクトル幅は１００ＧＨｚより大きく、また、基本周波数におけるパワーの割合(fraction)はほぼ０である。
[0035] 初期の変調が純粋にＦＭであるので、変調器２０の出力では、強度は最初のうちは時間的に一定である。グループ速度分散（ＧＶＤ）パラメータＤ_λで、長さＬの正常分散ＬＭＡファイバ（分散素子２４によって表される）を通じて伝播した後に、各周波数コンポーネントは、分散位相シフトφ_ｄｉｓｐ（ω_ｎ）を取得し、その結果として生じる、分散素子２４の出力でのレーザ・フィールドは、次のとおりである。

ここで、分散位相シフトは、次のとおりである。

[0036] この分散により、ＦＭからＡＭへの変換の結果となり、併せて、パワース・ペクトルが変化していない場合でも、強度プロファイルが分散素子２４の出力において現在時間変化しているとの結果となる。例えば、図２の変調パラメータを用いて、（通常は１０６４ｎｍ波長での大規模モード・エリア・ファイバ用の）分散パラメータＤ_λ＝−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍによるＬ＝１００ｍのファイバを通じた伝播は、分散素子２４への入力における強度プロファイルと比較して、分散素子２４の出力における強度プロファイルを変化させる。分散素子２４の出力における強度プロファイルは、大部分は基本変調周波数（この例では３２ＧＨｚ）で４０％の時間依存のパワー変動を呈する。１００ｍのオーダのファイバ長は、通常、コヒーレントに結合されたファイバ増幅器システム内でのレーザ・チャンネルのためのものである。ここでは、各チャンネルは、多数のファイバ・アクチュエータ、ファイバ結合されたアイソレータ、ファイバ・ポンプ・コンバイナ、ファイバ・タップ、ファイバ利得段および相互接続ファイバを収容する。

[0037] 最後に、分散されたフィールドは高いパワーへと増幅され、非変調光線に対する、即ち０ＡＭでの、｜Ｅ（ｔ）｜^２＝１に対応する非線形カー位相シフトＢによって特徴づけられる媒体を通じて伝播する。非線形長にわたり累積される分散は無視してよいものと想定される。分散されたフィールド振幅｜Ｅ_ｄｉｓｐ（ｔ）｜が時間依存であるので、出力フィールドは、次の自己位相変調を原因とする時間依存の非線形位相シフトを得る。

[0038] 正常な分散ファイバ（Ｄ_λ＜０）では、ＳＰＭによって発生するＦＭは、変調器によって課される当初のＦＭと破壊的に干渉することができる。Ｂ積分のマグニチュードを調整することは、非線形ＦＭのマグニチュードを変化させる。そして、ＦＭ光線のほとんど全てを基本モードへと戻すように回復させることが可能となる。例えば、（通常は１−２ｋＷの商用ファイバ増幅器用の）１３．４ラジアンのＢ積分で、約９５％の出力パワーは基本モードにシフトされる。

[0039] 当初のシード光線は、基本周波数（０次高調波）における０％のパワーを有するが、非線形に圧縮された出力は基本周波数における〜９５％のパワーを有する。なお、基本次数へと戻る１００％の変換は不可能であることが留意される。何故ならば、ＡＭは未だ出力に存在する、即ち、自己位相変調は、周波数変調を取り除くことができるだけであるものの、ＡＭを変化させることはできないからである。しかしながら、ＳＢＳ抑制の利益を有する場合では、＞９９％のパワーを得て、基本次数に戻すことが可能である。例えば、より低い変調度β＝１．４４ｒａｄ（０，±１のＦＭ次数での同等のパワー・サイドバンドに合わせて調整される）を用いるのを除き、上記と同一のパラメータを用いて、９９．２％の出力パワーを基本次数で取得することができる。高効率なスペクトル圧縮の鍵となるのは、分散ＡＭを最小化することであり、それは訂正不可能である。同様に、当初の正弦波ＦＭをキャンセルするのにＳＰＭ位相がほとんど正弦波となるように、ＡＭの形状はほとんど正弦曲線となる。

[0040] 小さいＡＭの制限では有効である上記のプロセスのために、分析的な推定を生じさせることが有用である。数式（１）から変調されたフィールドの瞬間的な周波数Ω（ｔ）は、次のように記述することができる。

[0041] Ω（ｔ）が最も急速に変化する、即ちＡＭ〜ｄΩ／ｄｔである場合に、ＧＶＤからのＡＭは最大化することになる。小さいＡＭの正確なフォームは次のとおりである。

[0042] つまり、ＡＭは、数式（１）の指数への正のＳＰＭ付加へと導く。

[0043] ここで、Ｌ_ＮＬは、最後の増幅断における非線形長であり、これは、分散媒体の長さであるＬとは異なる。キャリアの項を無視して、Ｂ積分であるＢ＝２Πｎ_２Ｌ_ＮＬＩ_０／λ_０＝ｋ_０ｎ_２Ｌ_ＮＬＩ_０の観点でこれを記述すると、次のようになる。

[0044] 正常分散ファイバ（Ｄ_λ＜０）の最終結果が、ＳＰＭを原因とする非線形位相が当初の正弦波周波数変調で破壊的に付加することであることが分かる。変調は、次のときに正確にキャンセルする。

[0045] したがって、ＦＭをキャンセルするための最適な非線形性Ｂ_ｏｐｔは次のようになる。

[0046] 上記で用いた数値例について、最適な非線形性は次のとおりである。

[0047] これは、数式（６）の正確な表現を用いて数値的に決定される最適Ｂ＝１３．４ｒａｄによって良好に一致する(agreement)。したがって、数式（１２）は、非線形性の所与のレベルのための有用な範囲を特定するのを支援することができ、或いは、基本次数に対してほとんど１００％のスペクトル圧縮を達成できる許容度を決定するのを支援することができる。

[0048] 小さいＡＭ推定についての他の使用は、最大限見込まれる圧縮効率を特定することである。Ｂ積分が良好に整合することを仮定すると、大部分のＡＭを残しつつほとんど全てのＦＭを取り去ることができる。小さいＡＭにとって、ほとんど全てのパワーは０次および±１次のサイドバンドにおけるものとなる。ＡＭフィールドのフォームを想定すると次のようになる。

小さいｍについてサイドバンドにおけるパワーは、単純にｍ^２／２であり、時間ドメインの強度におけるピーク・ツー・ピーク変動はおよそ４ｍであることが分かる。つまり、先に用いた数値例に対応する〜４０％のピーク・ツー・ピーク変動について、ｍ＝０．１であり、また、損失したサイドバンド・パワーは〜０．５％である。これは、９９．２％のスペクトル圧縮という数値的に見いだされる制限との間で合理的に一致する。この近似値の精度は、小さいＡＭの制限を原因として制限されるが、それはスペクトル圧縮効率性に上限を設ける。実際の組み合わせ効率性はまた、純粋な正弦曲線からのＡＭ形状の偏差によっても制限され、ＦＭの完全な補償を妨げることになる。

[0049] 作用するためのこの概念について、総分散およびＢ積分は、数式（１２）によって記述されるものとして整合されなければならない。小さい不整合の制限において、それは、どれくらいのパワーがＦＭサイドバンドに未だ含まれているかについて決定することができる。ヤコビ・アンガー等式を数式（１０）に適用すると、基本周波数におけるパワーの割合(fraction)が単純に次のとおりであることが容易に分かる。

[0050] 小さい引数(arguments)ｘについて、Ｊ_０（ｘ）〜１−ｘ^２／４である。したがって、損失したサイドバンド・パワーは、およそ次のとおりである。

[0051] 非線形のＢ積分は、Ｂ＝Ｂ_ｏｐｔ＋δＢとして記述することができ、ここで、δＢ＜＜Ｂ_ｏｐｔは、数式（１２）によって規定されるものと整合する完全なＢ積分からの小さい偏差となる。したがって、数式（１６）は次のようになる。

[0052] 整合は、分散（Ｄ_λ・Ｌ）、変調度（β）または変調周波数が増加するにつれてより正確なものでなければならない。上記の数値例について、１％の最適量内に対するスペクトル圧縮を維持するために、即ち、基本周波数において＞９８．２％のパワーを達成するために、δＢ＜０．８ｒａｄまたは最適量Ｂ＝１２．４ｒａｄの±６％内となることを必要とすることが分かる。このことは、直接に、デリバリ・ファイバの長さを調整するか、或いは増幅器へのダイオード・ポンプ・パワーを調整することの何れかによって実際に達成する。

[0053] 上記の考察は、単に本発明の例示の実施形態を開示および説明するに過ぎないものである。当業者は、このような考察から、また添付した図面および特許請求の範囲から、様々な変更、修正および変更態様が、次の特許請求の範囲に規定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくここで行うことができることを容易に認識するであろう。

Claims (20)

1. ファイバ増幅器システムであって、
   光シード・ビームを供給する少なくとも１つのシード・ソースと、
   所定の周波数で正弦波駆動信号を供給する高調波ドライバと、
   前記シード・ビームおよび前記駆動信号に応答する高調波位相変調器であって、前記駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調して、前記シード・ビームの０次周波数から光パワーを除去すると共に、前記駆動信号の周波数によって分離されるサイドバンド周波数を発生する、高調波位相変調器と、
   前記周波数変調されたシード・ビームに応答して前記シード・ビームの時間的な振幅変調を提供する第１分散素子と、
   前記第１分散素子から前記振幅変調されたシード・ビームを受け取り、該シード・ビームを増幅する非線形ファイバ増幅器であって、前記第１分散素子および前記ファイバ増幅器が結合して、前記サイドバンドから光パワーを除去すると共に光パワーを前記ビームの０次周波数に戻して、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を抑える、非線形光ファイバ増幅器と、
   を備える、ファイバ増幅器システム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記光シード・ソースがマスタ発振器である、システム。
3. 請求項１記載のシステムにおいて、前記駆動信号の振幅が、前記位相変調器において前記シード・ビームの０次周波数から全てのパワーを除去するように選択される、システム。
4. 請求項１記載のシステムにおいて、前記駆動信号の振幅が、前記位相変調器において前記シード・ビームの０次および＋／−１次周波数で同等の振幅パワーを発生するように選択される、システム。
5. 請求項１記載のシステムにおいて、前記駆動信号が３２ＧＨｚの周波数を有する、システム。
6. 請求項１記載のシステムにおいて、前記第１分散素子が所定長の光ファイバである、システム。
7. 請求項６記載のシステムにおいて、前記第１分散素子が前記ファイバ増幅器の一部である、システム。
8. 請求項１記載のシステムであって、更に、前記高調波位相変調器よりも前に前記シード・ビームを受け取る補助電気光学位相変調器（ＥＯＭ）を備える、システム。
9. 請求項８記載のシステムであって、更に、前記高調波位相変調器よりも前に前記補助ＥＯＭから前記シード・ビームを受け取る第２分散素子であって、前記第１分散素子によって提供される前記時間的な振幅変調の事前キャンセルを提供する第２分散素子を備える、システム。
10. 請求項１記載のシステムにおいて、前記ファイバ増幅器が、複数の直列接続された増幅段における最後の増幅段である、システム。
11. ファイバ増幅器システムであって、
    光シード・ビームを供給する少なくとも１つのシード・ソースと、
    所定の周波数で正弦波駆動信号を供給する高調波ＲＦドライバと、
    前記シード・ビームおよび前記駆動信号に応答する高調波位相変調器であって、
    前記駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調して、前記シード・ビームの０次周波数から光パワーを除去すると共に、前記駆動信号の周波数によって分離されるサイドバンドを発生し、
    前記駆動信号の振幅が、前記位相変調器において前記シード・ビームの０次周波数から全てのパワーを除去するように選択されるか、或いは、前記位相変調器において前記シード・ビームの０次および＋／−１次周波数で同等の振幅パワーを発生するように選択される、
    高調波位相変調器と、
    前記変調されたシード・ビームに応答して時間的な振幅変調を前記シード・ビームに提供する第１分散素子と、
    前記第１分散素子から前記振幅変調されたシード・ビームを受け取って、前記シード・ビームの増幅の間に前記サイドバンド周波数の光パワーを前記０次周波数に圧縮して戻し、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を抑える、非線形光ファイバ増幅器と、
    を備える、ファイバ増幅器システム。
12. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記駆動信号が３２ＧＨｚの周波数を有する、システム。
13. 請求項１１記載のシステムにおいて、前記第１分散素子が所定長の光ファイバである、システム。
14. 請求項１３のシステムにおいて、前記第１分散素子が前記ファイバ増幅器の一部である、システム。
15. 請求項１１記載のシステムであって、更に、前記高調波位相変調器よりも前に前記シード・ビームを受け取る補助電気光学位相変調器（ＥＯＭ）を備える、システム。
16. 請求項１５記載のシステムであって、更に、前記高調波位相変調器よりも前に前記補助ＥＯＭから前記シード・ビームを受け取る第２分散素子であって、前記第１分散素子によって提供される前記時間的な振幅変調の事前キャンセルを提供する第２分散素子を備える、システム。
17. 光ビームを増幅させる方法であって、
    光シード・ビームを供給するステップと、
    所定の周波数で正弦波駆動信号を供給するステップと、
    前記駆動信号を用いて前記シード・ビームを周波数変調するステップであって、前記シード・ビームの０次周波数から光パワーを除去すると共に、前記駆動信号の周波数によって分離されるサイドバンド周波数を発生するステップと、
    前記周波数変調されたシード・ビームを時間的に振幅変調するステップと、
    非線形ファイバ増幅器で前記振幅変調されたシード・ビームを増幅するステップであって、光パワーが前記サイドバンドから除去され、前記ビームの０次周波数に戻して、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を抑制する、ステップと、
    を含む、方法。
18. 請求項１７記載の方法において、前記駆動信号の振幅が、周波数変調の間に前記シード・ビームの０次周波数から全てのパワーを除去するように選択される、方法。
19. 請求項１７記載の方法において、前記駆動信号の振幅が、周波数変調の間に前記シード・ビームの０次および＋／−１次周波数で同等の振幅パワーを発生するように選択される、方法。
20. 請求項１７記載の方法において、前記シード・ビームを時間的に振幅変調するステップが前記ファイバ増幅器において実行される、方法。

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