JP6104924B2 - 分布帰還（ｄｆｂ）型ブリルアン・ファイバ・レーザ - Google Patents

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、内容のすべてが参照により本明細書に組み入れられている２０１１年１０月２８日に出願された「ＤＦＢ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒｓ」と題する米国仮特許出願第６１／５５２，６６５号の優先権を主張するものである。

更に、以下の文献も、参照により本明細書に組み入れられるものとする。
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単一の縦モード（ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｄｅ）で動作するブリルアン・ファイバ・レーザは、マイクロ波信号処理、ノイズ抑制、スペクトル狭窄化などを含む様々な応用例のために有用であることがわかっている。音響減衰とキャビティ帰還との両方がポンプ・レーザの位相ノイズ削減に対する責任を有しており、よって、単一周波数ブリルアン・ファイバ・レーザにおいて、はるかにより狭いスペクトル線幅を生じることが示されている。自由に動作している単一周波数ファイバ・リング・レーザのスペクトル線幅は、わずかに数ヘルツ（Ｈｚ）に過ぎない場合もありうるが、これは、ポンプ・ビームよりも大きさが数桁分だけ狭い。

従来、ブリルアン・ファイバ・レーザは、ファブリ・ペロ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器またはリング共振器の形態で作られてきた。しかし、そのような設計では、損失を克服してしきい値に到達するのに十分な利得を得るためには、数百メートルの長さのファイバが必要となる。そのような長さのために、既存のブリルアン・レーザは、複数の縦モードで振動する傾向があり、追加的なノイズが導入されてしまうことにより、上述した応用例のためには、このレーザの性能が低下する。

ポンプとストークスとの両方に二重共振する短いキャビティ（約２０メートル（ｍ））のブリルアン・レーザが、低いポンプ・パワーでの単一モード動作のために実現化されている。しかし、そのようなレーザは、能動的な帰還制御を必要とするため、動作させるのが困難である。従来型のブリルアン・ファイバ・レーザの別の短所として、１次ストークス波が、後で、より高次のストークス波に変換され、それが全体的な効率または性能に影響することがある。

本発明の実施形態は、ファイバ・レーザについて記述する。このファイバ・レーザは、共振周波数（ν_Ｏ）を有する分布帰還型キャビティと、キャビティの一端に光学的に結合されたポンプ源とを備えており、ポンプ源はピーク周波数（ν_ｐ）を有するポンプ放射を発射するのに用いられ、ポンプ放射は、キャビティ内部のストークス周波数シフト（ν_Ｂ）によって特徴付けられる誘導ブリルアン利得を生じ、誘導ブリルアン利得は、ストークス波長においてレーザ生成を生じる。

分布帰還（ＤＦＢ）型ブリルアン・ファイバ・レーザの透過スペクトルを図解している。 分布帰還（ＤＦＢ）型ブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 分布帰還（ＤＦＢ）型ブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 ブラッグ格子の透過スペクトルを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザからの順方向および逆方向の光スペクトルを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザからのポンプおよびストークス信号のビート・スペクトルを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザ出力を、ポンプ・レーザ離調の関数として図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザのストークス信号に対するポンプ・レーザ離調の効果を図解している。 ストークスおよびポンプ信号の間のビート・ノートの周波数と強度とをポンプ周波数離調の結果として図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザの順方向の出力信号の光スペクトルを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザのポンプ・パワーの関数として出力ストークス信号のパワーを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザのためのパラメータを用いて、計算された指数的利得を、格子強度の関数として図解している。 帰還制御ループを備えたＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 帰還制御ループを備えたＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 複数のＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザの動作を図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザの透過スペクトルを図解している。 ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザを図解している。 複数のＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザの性能を図解している。

誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）は、レーザ放射が光ファイバを通過して伝播するときに生じる。ＳＢＳは、狭帯域増幅、レーザ生成、分散型センシング、位相共役（ｐｈａｓｅ ｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ）、スローライト生成（ｓｌｏｗ ｌｉｇｈｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）など様々な応用例のために有用である。逆方向に散乱される光（ストークス波として知られている）は、ν_Ｂ＝２ｎν_Ａ／λ_ｐに等しい量だけ周波数ダウンシフトを経験する。なお、ここで、ν_Ａは音速、ｎは光ファイバの屈折率、λ_ｐはポンプ波長（ｐｕｍｐ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）である。

ＳＢＳは、また、ストークス波に近い波長を有する反対方向に伝播する信号を増幅するのに用いられる。ブリルアン利得を利用すると、単一次数（ｓｉｎｇｌｅ ｏｒｄｅｒ）と複数次数（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｏｒｄｅｒ）との両方のストークス波を生成するファイバ・レーザ（リング構成やファブリ・ペロ構成などの共鳴構造の）を作ることができる。

単一の縦モードで動作しているＳＢＳファイバ・レーザは、光マイクロ波信号の処理のために、特に魅力的である。

ＳＢＳ利得帯域幅が狭い（例えば、シリカ・ファイバでは、数１０メガヘルツ（ＭＨｚ））にもかかわらず、単一周波数の動作を実現することは困難である。典型的には、十分な利得がしきい値に到達してキャビティが複数の縦モードで動作することを可能にするには、数百メートルの長さのファイバが要求される。アクティブな帰還安定性を有する短キャビティＳＢＳレーザは、キャビティをポンプおよびストークスに対して二重共振性とするために用いられ、それによって、低いしきい値が可能となる。また、わずかに数メートルのカルコゲン化合物（ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）のグラス・ファイバを用いた単一周波数ＳＢＳレーザも存在するが、これは、シリカ・ファイバの場合と比較して約２桁大きなブリルアン利得係数を有する。しかし、カルコゲン化合物のグラス・ファイバには多くの短所があり、それらの短所には、損傷しきい値が低いこと、取り扱いおよびシリカ・ファイバへの接続が困難であること、および伝送損失が大きいことなどが含まれる。

ある実施形態では、共振器として離散π位相シフトを備えた分布帰還型（ＤＦＢ）ファイバ・ブラッグ格子を用い、ポンプ波としてＤＦＢの中へ発射される、適切な波長を備えた狭帯域レーザ放射を適用することによって、上述した問題に対処するための解決策が、本明細書において提供される。このポンプは、その光周波数がファイバにおけるストークス周波数シフトν_Ｂだけ、格子の共振伝送周波数よりも高くなるように調整されている。

図１は、光学信号（ポンプ）とＤＦＢファイバ・ブラッグ格子とのスペクトルの図を示している。この構成では、図１のスペクトル・グラフに図解されているように、ポンプ・スペクトル成分１０２は、格子の反射帯域の外側に配置されており、格子を通過するように送信を行い格子構造の内部でブリルアン利得を提供することができて、それによりキャビティにストークス波長のレーザを生成させ、そのスペクトル成分が図１において１０１として図解されている。ＤＢＦ格子は、低いレーザ生成しきい値を可能にする高いＱファクタと、単一縦モードでの動作を可能にする狭い帯域幅とを有する。

単一縦モードで動作しているＤＦＢレーザは、３０ミリワット（ｍＷ）という低いしきい値と、２７％という高いポンプからストークスへの変換効率とを有しており、他方で、より高いオーダーのストークス波は２０デシベル（ｄＢ）より多く抑制される。

ある実施形態では、レーザは、順方向または逆方向のいずれかのストークス波を得るように構成されている。これは、ポンプ電波方向に対する離散的位相シフトのオフセットの向きを変更することによって達成される。レーザは、非常に広い範囲のポンプ周波数（例えば、１．２ギガヘルツ（ＧＨｚ）超の範囲）で動作するが、これは、ＳＢＳ利得帯域幅よりも約５０から６０倍大きい。

＜レーザの設定＞
ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザの設定が、図２および図３に示されている。ある実施形態において、図２は、ポンプ信号の逆方向にストークス波を出力する設定を図解している。この設定は、ファイバ２０３に光学的に結合されたポンプ・レーザ２０１を有しており、また、ＤＦＢの入力に内向きにオフセットされたＰ位相（または、π位相）シフト２１１を備えたＤＦＢ格子２０７を有する。ストークス波は、サーキュレータ２０５を通過して出力２０９において出力される。残りのポンプ信号は、ファイバ部分２１３を通過して継続する。

図３は、ポンプ信号の順方向へのストークス波の散乱を伴う設定を図解している。この設定は、ファイバ２０３に光学的に結合されたポンプ・レーザ２０１を有しており、また、ＤＦＢの入力に対して外向きにオフセットされたＰ位相（または、π位相）シフト３１１を備えたＤＦＢ格子３０７を有する。ストークス波は、残りのポンプ信号と共に、ファイバ出力３１３を通過して出力される。

ＤＦＢファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＳ）は、ある実施形態では、オフセットπ位相がシフトされていて、約１５８３．４ナノメートル（ｎｍ）の中心波長が、直接紫外線記載を用いて高度な非線形ファイバに書かれている。格子は約１２．４センチメートル（ｃｍ）の長さであり、約９０ｍ^−１の分散結合係数を有し、π位相シフトが中心から約８％のオフセットの位置に配置されている。希土類がドープされたＤＦＢシステムでは、離散位相シフトの位置における数パーセントのオフセットが、出力を１つの方向に運ぶ際に有効でありうる。

ある実施形態では、図３に図解されているように、格子が用いられ、位相シフトにおける類似の量のオフセットと、順方向へのレーザ生成とを伴う。ただし、ＳＢＳに起因する信号の増幅は、逆方向だけに伝播する信号に対して生じるのが一般的である。

ある実施形態では、１５８３ｎｍの近傍で動作している連続波（ｃｗ）外部キャビティ半導体レーザからの光は、約１５０キロヘルツ（ｋＨｚ）の典型的な線幅を有しているのであるが、Ｌバンド増幅器によって最大で１４３ｍＷに増幅され、サーキュレータを介してＤＦＢ格子の中に発射される。格子透過スペクトルに関係するポンプの波長が、図４に示されている。ポンプの位置とレーザ周波数とは、垂直方向の線によって示されている。

格子の反射スペクトルは、約３．７ＧＨｚ（３０ｐｍ）の半値幅を有する。ポンプは、その光周波数が格子の共振伝送周波数よりも約９．４ＧＨｚだけ高くなるように調整されている。なお、約９．４ＧＨｚというのは、本明細書において用いられている非線形ファイバにおけるストークス・シフトに等しい。この配列では、ポンプは、格子の反射バンドの外部に配置されており、したがって、格子を通過するように送信することが可能であり、ブリルアン利得を提供することができる。このπ位相シフト格子は、ファイバの複屈折に起因する約２２０ＭＨｚによって分離されている１対の共振伝送ピーク（図４には、示されていない）を有する。

図４の透過スペクトルのエッジに存在するリプルは、格子がアポダイズされていないことに起因する。格子をアポダイズすると、伝送エッジをはるかにより滑らかかつより平坦にすることが可能であり、これは、レーザの効率的なポンピングに有用である。

光スペクトル・アナライザとパワーメータとを、外向き（ポンプ源から離れる方向）だけでなくて内向き（ポンプ源に向かう方向）である離散的位相シフトを備えているＤＦＢファイバ構造からの出力を記録するのに用いることができる。ストークス信号と逆反射されたポンプの小さな部分との間のビーティング（ｂｅａｔｉｎｇ）は、高速フォトダイオードと電気スペクトル・アナライザとを用いて測定することができる。

ストークス波長における安定的なレーザ生成は、ポンプの光周波数を、格子の狭帯域共振を伴うＳＢＳ利得スペクトルと重なり合うように調整することによって、達成可能である。図５は、位相シフト・オフセットがポンプの方向を向いている（内向き）であったときの、逆方向および順方向の出力の光スペクトルを示している。ストークス波長（ポンプから８０ｐｍ（ピコメートル）だけレッドシフトしている）は、残留ポンプ・パワーよりも大きなピーク・パワーを有するレーザ生成を達成する。位相シフトが逆方向を向いていると、逆方向のストークス出力は、順方向のストークス出力の場合よりも約２０ｄＢだけ高い。更に、２次のストークス波長は共振から外れているので、より高次のストークス波への以後の返還は、大きく抑制される。

どちらの方向に放出される２次のストークス波も、１次のストークス波と比較すると、２０ｄＢを超える差で、より低い。ポンプおよびストークス波のビート周波数は、逆方向の出力の電気的スペクトルにおいて、観察される。

図５に関係する設定のポンプおよび生成された信号から導かれるビート信号の電気スペクトルが、図６に提供されているが、明らかに、狭く単一の周波数でのストークス生成を示している。ほぼ９．４４ＧＨｚにおいて観察される図６におけるピークは、約１５８３ｎｍにおけるポンプのためのこのファイバにおける同時ブリルアン散乱からのストークス・シフトの測定値と一致している。

本明細書で説明されている特定のブリルアンＤＦＢレーザの構成は、広い範囲のポンプ周波数での振動を許容するという効果を有している。図７では、ポンプ・パワーが一定に維持されるときのストークス波の強度を、周波数離調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｔｕｎｉｎｇ）の関数としてプロットしている。レーザ生成が維持されるポンプ調整の範囲は１．２ＧＨｚであり、これは、ブリルアン利得帯域幅よりも約６０倍大きい。この振る舞いの理由は、図８に拡大して示されている図７の挿入図を用いて説明することができる。ブリルアン利得と狭い共振との重なり合いが増加するにつれて、ストークス信号は強くなり、これにより、キャビティ内部の信号によって生じる一様でない加熱だけでなく、カー効果によって生じる非線形性（Ｋｅｒｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ）に起因して、屈折率が有効に増加する。したがって、レーザ生成周波数は、ＳＢＳ利得とレーザ生成波長との両方のピークが一致するまで、ポンプ周波数が低下するにつれて低下し続ける。このポンプ周波数において、出力パワーは最大化される。

それを超えると、周波数が小さな量だけ更に低下する場合には、レーザ生成フィールド（ｌａｓｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）は、より小さな利得とカー効果の減少とを経験し、よって、その周波数（または、キャビティ共振）が上昇する。レーザ生成周波数のシフトの方向はポンプ離調の場合とは反対であるので、ストークス・フィールドは、もはやポンプを追跡することはなく（領域ＩＩＩに図解されているように）、その結果として、レーザ生成の突然の終了が生じる。レーザの消滅は、周波数離調範囲において生じることが予測されるが、それは、ブリルアン線幅の約半分である。

ブリルアンＤＦＢレーザは、ポンプ周波数を高い周波数から格子共振の周囲の低い周波数に調整することによってオンさせることができるが、これは、ポンプ周波数が低い周波数から高い周波数に変化するときにはレーザがオンしないのと対照的である。更に、ポンプが１．２ＧＨｚだけ離調されると、ポンプとストークス波との間のビート周波数は、約３５ＭＨｚだけ変化する。これは、ストークス周波数がポンプ周波数によって引き上げられるからである。これは、図９に図解されているが、この図９には、ストークスとポンプ周波数の離調の関数としてプロットされているポンプ信号との間のビート・ノート（ｂｅａｔ ｎｏｔｅ）の周波数と強度とが示されている。基準は、レーザ生成が開始するときのポンプ周波数として、任意に選択される。

上で述べた、そして図７〜図９に図解されている効果は、ポンプ周波数の揺らぎに対する公差が小さい（例えば、わずかに数１０ＭＨｚ）ために能動的な安定化に依拠している先に報告されていたブリルアン・ファイバ・リング・レーザとは、著しく対照的である。

外側を向いている離散的な位相シフトを備えているレーザから順方向に得られる出力の光スペクトルが、図１０に示されている。残留ポンプよりも強い強度を有するストークス波は、ポンプ波長が最適に調整されるときには順方向に生成され、ポンプからストークスへの著しい変換を示す。図１０には示されていないが、逆方向のストークス出力は、順方向で得られるものよりも約２０ｄＢ低い。

ここで提供されるブリルアン・レーザの出力パワーは、両方の構成に対するポンプ・パワーの関数として測定される。すなわち、オフセット位相シフトは外向きの場合（ポンプの伝播の方向）と、内向きの場合（ポンプの伝播方向とは逆方向）とがある。図１１は、発射されたポンプ・パワーの関数としてプロットされた出力（ストークス）パワーを示している。それぞれのポンプ・パワーに対して、最大の出力パワーは、ポンプ周波数の最適化によって測定される。約２５ｍＷの類似のレーザ生成しきい値が得られるが、勾配効率は、内向きおよび外向きそれぞれのπ位相シフトに対して約２３％および２７％というように、わずかに異なっている。更なる効率の向上とより低いしきい値とが、格子設計の最適化により、期待される。これには、格子をアポダイズすることによりポンプ波の反射を最小化することと、ファイバの固有の損失を抑制することが含まれる。

希土類ＤＦＢファイバ・レーザは、２つの偏光モードで振動する傾向を有するが、ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザは、ただ１つの偏光状態で振動することができる。ＤＦＢ格子によって生じる偏光分割における複屈折は約２００ＭＨｚ（ブリルアン利得線幅よりもはるかに大きい）であり、したがって、ただ１つの偏光状態にレーザ生成を制限することが可能である。

単一周波数の狭帯域レーザ放射が用いられるが（例えば、上述したＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザにおけるポンプ）、これは、厳密な要件ではない。ブリルアン・ファイバ・レーザは狭帯域（ｋＨｚのオーダーの線幅）のレーザ出力を、ブリルアン線幅Δν_Ｂ（数ＭＨｚのオーダー）に匹敵する線幅を有するポンプを用いて生成することができることは広く知られている。したがって、Δν_Ｂよりも小さなスペクトル幅を有する広帯域または複数の縦モードのポンプ源を用いることができる。上述した例では、外部のキャビティ半導体レーザが、ポンプ源として機能する。また、ファイバ・レーザまたは半導体もしくは固体レーザなど、他のタイプのレーザからの他の出力を用いることもできる。そのようなポンプ源の出力は、分布帰還型レーザに印加してより強いストークス出力を得る前に、適切な増幅器を用いて増幅することができる。

レーザ出力のしきい値は、デバイスのパラメータに強く依存する。ここで、パラメータは、格子強度κＬと、ファイバの固有損失αＬ（これは、ＵＶ露出にも依存する）と、離散的位相シフトのオフセットの程度とを含む。図１２は、異なるキャビティ損失αＬと位相オフセットのパーセンテージとを有する様々な格子強度に対する数値計算された指数的な利得を表す様々な曲線を示している。曲線１２０１（８％のオフセットでは０ｄＢの損失）、１２０２（８％のオフセットでは０．１ｄＢの損失）、１２０３（０％のオフセットでは０ｄＢの損失）、および１２０４（０％のオフセットでは０．１ｄＢの損失）は、ブリルアン・レーザ生成は、広い範囲の格子強度、固有損失、および異なる量の位相オフセットで、達成可能であることを示している。レーザ生成のしきい値は、利得が、ファイバの損失とその有限Ｑファクタに起因する共振器における有効損失とを克服するのに十分に大きいときに、達成される。

別の実施形態では、シリカ・ファイバにおいてＤＦＢファイバ・ブラッグ格子を用いるのではなく、例えばカルコゲン化合物およびテルライト製のグラス・ファイバなど、より高いブリルアン利得係数を有する非シリカ製のグラス・ファイバを用いることができる。いくつかの実施形態では、適切な光透過性材料で作られた分布帰還型導波デバイスが、ブリルアン・レーザ生成を達成するために用いられる。

次のパラメータは、ある例示的な設定を表している。
κ＝９０／ｍ
Ｌ＝０．１２４ｍ
ｇ_Ｂ＝５＊１０^−１１ｍ／Ｗ
Ａ_ｅｆｆ＝１６＊１０^−１２ｍ^２

この設定を用いると、しきい値のパワーは、推定される固有損失０．１ｄＢに対して、約２８ｍＷである。

本明細書で提供されているＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザの出力パワーは、ポンプの離調に依存する。ある時間周期にわたり安定的な条件の下でレーザを動作させるためには、図１３および図１４に示されている帰還制御が提供される。図１３に示されているように、レーザ生成信号の一部が、逆伝播された光から、カプラまたはサーキュレータ１３０５を通過して、フォトダイオード１３０１の中に与えられる。そして、フォトダイオード１３０１において検出され、電気信号に変換される。フォトダイオード１３０１の出力電圧は、コンパレータ１３０２において基準電圧と比較され、エラー信号が得られる。図１３の実施形態では、エラー信号は、適切なサーボ・ループ１３０３を通過してポンプ・レーザ１３０４のポンプ波長を制御するのに用いられる。これにより、安定的な出力が保証されるが、安定的な出力は、基準電圧Ｖ_Ｃを調節することによって、変動させることが可能である。

ストークス出力パワーが増加するにつれて、ポンプ信号は消耗するため、その信号の代わりに残留ポンプ信号を用いて、エラー信号を導くことができる。信号を逆方向に抽出するために、サーキュレータ、狭帯域の波長分割多重化（ＷＤＭ）フィルタ、またはその両方を用いることができる。

図１４は、帰還制御ループの別の実施形態を示しており、この帰還制御ループは、サーキュレータまたはカプラ１４０５と、フォトダイオード１４０１と、コンパレータ１４０２と、サーボ・ループ１４０３と、ポンプ・レーザ１４０４と、π位相格子１４０６とを備えている。図１４の実施形態では、サーボ・ループ１４０３からの信号が、格子１４０６のパラメータを制御する。ここでエラー信号は、例えばＤＦＢファイバの温度または張力の調節を通じて、スペクトルのセントラル・ピーク伝送の周波数を制御するのに用いられる。

ＤＦＢファイバ・レーザは、ある実施形態では、希土類元素を用いたドーピングはなされておらず、非吸収性である場合があり、それにより、多くのＤＦＢレーザを直列的に接続することが可能になり、また、複数の波長または波長の調整が可能なレーザ源を用いたポンピングが可能になる。図１５は、複数波長もしくは広帯域源または波長の調整が可能なレーザ１５０１を用いた、複数のブリルアンＤＦＢレーザ１５０２、１５０３、１５０４、１５０５（異なる共振周波数を有する）の動作を示す実施形態を図解している。波長調整可能なレーザがポンプ源として用いられるときには、ＤＦＢレーザは、時間経過と共に波長が上昇していく態様で、レーザを生じる。ある実施形態では、サーキュレータまたはカプラが、出力１５０７においてブリルアン信号を出力するのに用いられる。

本明細書において提供されているブリルアンＤＦＢファイバ・レーザの動作の態様には以下のものが含まれる。
１．低いしきい値（例えば、約３０ｍＷ）と狭い信号線幅とを用いたレーザ生成。
２．ポンプからストークス波への高い変換効率（約３０％よりも高い）と、より高次のストークス波の生成の抑制（より高次のストークス波長は、格子と共振しないから）。
３．格子の物理的中心に対して離散的な位相シフトのわずかなオフセット（格子長の数パーセント）を導入することにより、優先的に順方向または逆方向のストークス波が得られること。離散的な位相シフトのオフセットがポンプ伝播の方向を向いているときには、ＤＦＢレーザ出力は、主に順方向で得られる。そして、位相シフトのオフセットが逆向き（すなわち、ポンプ伝播とは反対の方向を向いている）であるときには、レーザは、主に、逆方向で得られる。希土類およびラマンの両方のＤＦＢレーザでは、ＤＦＢキャビティにおけるキャビティ内信号は、両方の方向（順方向および逆方向）に増幅される。対照的に、ブリルアンＤＦＢレーザでは、本明細書において示されているように、ストークス光は、逆方向（ポンプとは逆の方向）にだけ増幅される。ブリルアン分布帰還型レーザの数値解析は、実験的に観察されたものと同じように、連続的な波出力を備えた安定的な解を示す。
４．このレーザは、より広い範囲のポンプ離調（ブリルアン利得線幅よりも少なくとも５０倍大きい）にわたって、動作させることができる。

＜ＤＦＢブリルアン・レーザの応用例＞
（Ａ）ノイズ抑制
ブリルアンＤＦＢファイバ・レーザは、リング共振器を用いて示されるように、信号処理とノイズ抑制とのために用いることができる。リング・ブリルアン・ファイバ・レーザをポンプするために広帯域ポンプ（数ＭＨｚの帯域幅）が用いられると、結果的に生じるストークス波は、はるかにより狭い線幅を有する場合がありうることが報告されている。ブリルアンＤＦＢファイバ・レーザは、そのような帯域幅を狭くする応用例や類似の応用例において、用いることができる。

スペクトルを狭くするためのある実施形態が、図１６および図１７に示されている。図１６は外向きのπ位相シフトを有するレーザを図解しており、図１７は内向きのπ位相シフトを有するレーザを図解している。ポンプ波の線幅よりも狭い線幅を有するストークス波は、先に説明したブリルアン利得を用いてＤＦＢをレーザ生成させることによって、得ることができる。ポンプおよび信号のための帯域幅は、好適な実施形態の例として、ＭＨｚ（ポンプ）およびｋＨｚ（信号）として与えられている。

ポンプ波長は、ラマン・ファイバＤＦＢによって提供することが可能であり、したがって、すべてのファイバの狭い線幅源に対して可能である。

ラマンおよびＳＢＳ ＤＦＢキャビティが重なり合うときには、更によりコンパクトで幅が狭い線幅源を達成することができる。そのような配列では、ラマンＤＦＢは、ＳＢＳキャビティ共振からの最適な波長シフトでレーザ生成させられる。格子は部分的または完全に重なり合うので、相対的なシフトが非常に安定的である。例えば、たとえファイバの温度が変化する場合でも、波長の差は実質的に同じままであり、したがって、ＳＢＳのレーザ生成は維持され、結果的に狭い出力線幅が生じる。これにより、ポンプのための周波数安定性スキームに対する必要性がなくなる。ラマンＤＦＢは、そのポンプ波長に対する感度が大幅に低い。その理由は、ラマン利得スペクトルが非常に幅広い（ほぼテラヘルツ（ＴＨｚ）の範囲）からである。

（Ｂ）光学的マイクロ波信号処理
ブリルアンＤＦＢファイバ・レーザの別の応用例は、弱く強度変調された光信号の処理と関係する。光検出器の飽和を回避するために、検出の間は、光信号の強度を低く維持すると、それによって、信号対雑音比が劣化する。したがって、検出される前に、最初に光キャリアを抑制するのが有用である。

ＤＦＢブリルアン・レーザを用いてこれを達成する１つの方法が、図１８および図１９に示されている。図１８は、キャリアおよびサイドバンド・スペクトル１８０２とキャリア抑制スペクトル１８０１とを備えたレーザの概略図を示している。図１９は、１９０１における光信号（ポンプ）およびサイドバンドのスペクトルと、ＤＦＢファイバ・ブラッグ格子の１９０２における第１のストークス信号のスペクトル成分とを図解している。格子スペクトルは、レーザ生成条件を満足させるために、温度または縦方向の張力を制御することによってレッドシフトまたはブルーシフトさせることができる。同様に、ねじれや曲げのような外部的な摂動を用いることで、ファイバの複屈折特性を修正することが可能であり、信号出力の偏光特性に影響を及ぼすことができる。

十分な強度を有している弱く変調された光信号がＦＢＧに入射するときには、キャリアは、ブリルアン・レーザの生成を通じて、サイドバンドは影響を受けないまま、ストークス波に変換されることがありうる。変換されたストークス出力は、位相オフセットされたＤＦＢ ＦＢＧの向きを適切に選択することによって、逆方向へ伝播させることが可能である。抑制されたキャリア光波が、このようにして、ほとんど損失なく、順方向に得ることができる。

（Ｃ）温度および張力の感知
ブリルアンＤＦＢファイバ・レーザの別の応用として、温度または張力の感知がある。複数点での感知（分散型の感知）が可能なそのようなセンサの概略図が、図２０に示されている。このセンサは、λ_１、λ_２、λ_３、・・・λ_ｎによって示されるわずかに異なる共振波長を備えた複数のπシフトされたＤＦＢを有する。これらは、共通のポンプ源によってポンプされ、その波長は、より短い波長からより長い波長へという順に、走査される。ポンプ波長がＤＦＢのキャビティ共振周波数から約１０ＧＨｚの範囲に入ると（その理由は、１０ＧＨｚが、ＤＦＢレーザの格子を作製する際に用いられるファイバのストークス周波数シフトであるからだが）、そのストークス波長においてレーザ生成が開始される。図７、図８および図９に示されているように、ＤＦＢにおけるブリルアン・レーザ生成は、約１ＧＨｚのポンプ周波数変動にわたってレーザ生成を維持することが可能であり、よって、特定のＤＦＢレーザが生成している時間の間のポンプおよびストークス出力の間のビート周波数の測定が、ストークス周波数シフトν_Ｂを与える。更に、ν_Ｂは温度と張力とに依存するから、ビート周波数をモニタすることによって、レーザ生成しているＤＦＢの温度を抽出することが可能である。温度と張力との相互効果（ｃｒｏｓｓ−ｅｆｆｅｃｔｓ）を分離するためには、張力の作用していないＤＦＢを追加的に用いることができる。格子と測定量フィールドを張力フィールドに変換するアクチュエータとが相互作用をする場合には、このような構成を用いて、広い範囲の測定量フィールドを感知することが可能であることに注意すべきである。例えば、図２０の装置は、圧力を変化させてファイバ格子の張力の変化を生じさせることが可能であるように格子のハウジングが配列されている場合には、圧力（または音響効果（ａｃｏｕｓｔｉｃｓ））を感知するために用いることが可能である。

波長を線形に調整すると、図２１に図解されているように、複数のＤＦＢレーザのそれぞれを、一度にひとつが動作するようにすることができる。したがって、それぞれの位置におけるビート周波数をモニタすることにより、それぞれの位置における温度と張力との効果を、その対応する位置におけるブリルアンＤＦＢレーザのレーザ生成を用いて、相関させることが可能である。

図１８では、ＤＦＢレーザ・センサが、ソース端から問い合わせを受けている。位相シフトにおけるオフセットの向きを反転させることにより、ストークス出力を順方向に得ることができ、それによって、必要な場合には、フロント・エンドからの問い合わせを達成することが可能になる。

＜効果＞
ブリルアンＤＦＢファイバ・レーザ・センサは、多数の効果を有する。

１．高い空間解像度（約１５ｃｍ）を達成することができる。現在の分布型ブリルアン散乱センサが有している解像度は１ｍである。ある実施形態では、実質的に１メートル未満の、好ましくは５０ｃｍ未満の、より好ましくは２０ｃｍ未満の、最も好ましくは１５ｃｍまたはそれ未満の空間解像度を有するブリルアン・ファイバ・レーザ・センサが、提供される。

２．ブラッグ波長分離がわずかに約２ｎｍであることにより、数十の格子を直列に配置して、広い帯域の調整可能なレーザを用いて問い合わせすることが可能である。

３．２つの偏光モードで振動する傾向を有する希土類のＤＦＢファイバ・レーザとは異なり、ＤＦＢブリルアン・レーザは、主にある１つの偏光で振動する。ＤＦＢ格子における複屈折により、約２００ＭＨｚの偏光分離（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ）が生じるが、これはブリルアン利得線幅よりもはるかに大きく、したがって、レーザ生成をただ１つの偏光状態に制限することが可能になる。

４．単純な問い合わせ技術を用いることが可能であり、いずれかの端部からまたは両方の端部から行うことができる。

５．問い合わせは、ヘテロダインを用いて実行することが可能であり、より高い感度が得られる。

６．センサを、ファイバの単一の部材として作ることが可能であり、その結果として、接続損失（ｓｐｌｉｃｉｎｇ ｌｏｓｓ）が生じることがない。

まとめると、分布帰還型（ＤＦＢ）ファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）を利得ファイバまたはキャビティの長さを短縮することを可能にする共振器として用いる、ブリルアン・ファイバ・レーザが提供される。この装置は、狭い線幅のレーザによってポンプされるときに、ＤＦＢにおける誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）利得を用いることによって、レーザ生成を達成する。特に、ＤＦＢファイバ・ブラッグ格子は、離散的なπ位相シフトを有しており、これは、格子の長さの数パーセントだけ格子の物理的中心からオフセットしている。

ＤＦＢ格子は、ストークス周波数シフトν_Ｂに名目上等しい量だけ格子の中心通過帯域よりも高い光周波数を有する狭い線幅レーザによってポンプされるとき、誘導ブリルアン利得を経験する。レーザ生成は、第１のストークス波に対応する波長において生じる。これは、ポンプとレーザ出力とがストークス周波数シフトν_Ｂだけ分離されることを意味する。なお、ストークス周波数シフトν_Ｂは、典型的には、シリカまたはそれ以外の光材料では２０ＧＨｚ未満である。

開示されているＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザは、既存のレーザと比較して、多数の顕著な効果を有する。例えば、誘導ブリルアン散乱を生じさせるのに狭い線幅のレーザを用いてポンプされる共振器としてπ位相シフトを備えているＤＦＢファイバ・ブラッグ格子を用いることにより、低いしきい値が達成される。また、ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザにより、どのような光ファイバ・カプラも用いることなく、キャビティの中への単一周波数のレーザ放射の効率的なポンピングが可能になる。これにより、キャビティ内の損失が低く、効率がより高くなることが保証される。

更に、ＤＦＢファイバ・レーザは、希土類イオンの反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）に依存することなく、狭い線幅のポンプによって生じる誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）に依存する。ＤＦＢファイバ・レーザは、希土類元素を用いたドーピングはなされておらず、その結果として、出力波長は、格子によって決まり、利得媒体のエネルギレベルによって決まることはない。したがって、このレーザは、スペクトル的により透過的である。これによって、複数のＤＦＢレーザを直列的に接続することが可能になり、また、複数の波長のまたは波長を調整可能なレーザ源を用いたポンピングが許容される。こうして、ある実施形態では、複数のＤＦＢレーザが直列的に接続され、誘導ブリルアン散乱を生じさせる複数の波長のまたは波長を調整可能な狭い線幅のレーザ源によって、ポンピングされる。

ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザは、ある１つの偏光状態で振動するため、偏光の切り替えに起因するどのような不安定性も取り除かれる。複屈折ファイバを用いてＤＦＢ格子を作ることにより、ブリルアン利得線幅よりもはるかに大きくなるように、２つの偏光モードの波長分離を行うことができ、それにより、ある１つの偏光状態でのレーザ生成が保証される。このように、ある実施形態では、狭い線幅のレーザを用いてポンプされて誘導ブリルアン散乱を生じるＤＦＢファイバ・レーザの格子が、複屈折ファイバから作られる。

π位相シフトされたＤＦＢ ＦＢＧの結合係数と長さとは、反射帯域がストークス周波数シフト（すなわち、２Δν_Ｂ）の２倍よりも狭くなるように、選択される。これにより、ポンプ・レーザがＦＢＧを通過して伝送されブリルアン利得を導くことが可能になる。

ブリルアン・ファイバ・リング・レーザにおけるストークス波の伝播方向は、ポンプ伝播の方向とは逆である。ＤＦＢブリルアン・レーザは、ストークス出力が、順方向または逆方向のいずれかの方向に、そして両方向にも放出されるように、動作させることが可能である。レーザ出力は、ポンプ伝播の方向に沿って（離散的な位相オフセットの方向を、ポンプの方向になるように選択することによって）、または、逆の方向（離散的な位相オフセットの方向を、ポンプの伝播方向と反対の方向になるように選択することによって）のいずれかに、伝搬されることが可能である。こうして、ポンプ源の搬送ファイバに直接に接続することにより、このＤＦＢレーザをインライン光デバイスとして用い、順方向のストークス出力を得ることが可能になる。

ＤＦＢブリルアン・ファイバ・レーザは、カーの非線形効果とキャビティの内部における一様ではない温度分布とにより、ポンプ周波数の変動に対して、より大きな許容範囲を有する。ポンプ周波数が、ブリルアン利得帯域幅ν_Ｂの５０倍を超える１ＧＨｚを超えて離調されると、ＤＦＢレーザにおけるレーザ生成を維持することができる。従来型の二重共振ブリルアン・ファイバ・レーザでは、ポンプ周波数を、レーザ生成が停止される前に、約ν_Ｂだけ離調することが可能である。これにより、少なくとも１つの厳密な帰還ロック回路の使用を節約することが可能になる。

以上では、例示的な実施形態を示して説明を行ってきたが、説明した開示に対し、多数の変更、修正、または改変を行うことが可能であることは、当業者には明らかであろう。そのようなすべての変更、修正、および改変は、したがって、本開示の範囲に属するものと考えられるべきである。

Claims (9)

1. 共振周波数（ν_Ｏ）を有する格子を備えた分布帰還型キャビティと、
   前記キャビティの一端に光学的に結合されたポンプ源であって、ポンプ放射を発射し、前記ポンプ放射はピーク周波数（ν_ｐ）を有し、前記ポンプ放射は、前記キャビティの内部におけるストークス周波数シフト（ν_Ｂ）によって特徴付けられる誘導ブリルアン利得を生じ、前記誘導ブリルアン利得はストークス波長におけるレーザ生成を生じ、前記分布帰還型キャビティは、ν _Ｂ よりも小さい半値幅を有する反射帯域を有し、ν _ｐ はν _Ｂ に名目的に等しい値だけν _Ｏ よりも高い、ポンプ源と、
   を備えているファイバ・レーザ。
2. 前記分布帰還型キャビティは位相シフトを有し、前記位相シフトはほぼπラジアンである、請求項１に記載のファイバ・レーザ。
3. 前記分布帰還型キャビティはファイバ・ブラッグ格子（ＦＢＧ）を備えている、請求項１に記載のファイバ・レーザ。
4. 前記ＦＢＧがアポダイズされる、請求項３に記載のファイバ・レーザ。
5. 前記分布帰還型キャビティは複屈折ファイバを備えている、請求項３に記載のファイバ・レーザ。
6. ストークス出力の強度を検出する検出器と、
   前記検出されたストークス出力と基準とを比較して、前記比較の結果としてエラー信号を生じるコンパレータと、
   前記エラー信号を用いて、前記ファイバ・レーザの出力レベルを安定化する帰還ループと、
   を更に備えている、請求項１に記載のファイバ・レーザ。
7. ストークス出力の強度を検出する手段と、
   検出された残留ポンプと基準とを比較して、前記比較の結果としてエラー信号を生じる手段と、
   前記エラー信号を用いて、前記ファイバ・レーザの出力レベルを安定化する手段と、
   を更に備えている、請求項１に記載のファイバ・レーザ。
8. ポンプ放射を発射するポンプ源であって、前記ポンプ放射はピーク（ν_ｐ）を有し、前記ポンプ放射は誘導ブリルアン利得を生じ、前記誘導ブリルアン利得はストークス波長においてレーザ生成を生じる、ポンプ源と、
   前記ポンプ源と直列であり、ストークス周波数シフト（ν_Ｂ１）を有し、さらに共振周波数（ν _Ｏ ）を有し、ν _Ｂ１ よりも小さい半値幅を有する反射帯域を有し、ν _ｐ はν _Ｂ１ に名目的に等しい値だけν _Ｏ よりも高い第１の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザと、
   前記第１のＤＦＢレーザと直列の第２のＤＦＢレーザであって、前記ポンプ源によってポンプされ、ストークス周波数シフト（ν_Ｂ２）を有する、第２のＤＦＢレーザと、
   を備えているシステム。
9. 前記第２のＤＦＢレーザと直列でありストークス周波数シフト（ν_Ｂ３）を有する第３のＤＦＢレーザを更に備えている請求項８に記載のシステム。