前方ブリルアンファイバーレーザー | 河北レーザーマーキング株式会社

Nature Communications volume 13、記事番号: 3554 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

後方誘導ブリルアン散乱に基づくファイバーレーザーは狭い線幅を提供し、信号処理およびセンシングの用途に役立ちます。ファイバー内の誘導ブリルアン散乱は順方向にも発生し、増幅帯域幅は 2 桁狭くなります。ただし、順方向ブリルアンレーザーは、どのファイバープラットフォームでもまだ実現されていません。この研究では、市販のパンダ型偏波保持ファイバーを使用した、最初の順方向ブリルアンファイバーレーザーを報告します。 1 つの主軸内のポンプ光は、直交偏光の共伝播レーザー信号にブリルアン増幅を提供します。フィードバックは、ファイバーキャビティの両端にあるブラッググレーティングによって提供されます。シングルモード、少数モード、およびマルチモードの動作領域が観察されます。レーザー発振閾値は独特の環境感度を示します。ファイバーが部分的に水に浸されると、前方ブリルアン散乱スペクトルの広がりにより上昇します。その結果、クラッドの外側の媒体の超高コヒーレンスと精密センシングの可能性を備えた、新しいタイプのファイバーレーザーが確立されました。

後方誘導ブリルアン散乱 (後方 SBS) に基づくファイバーレーザーは、30 年以上研究され、採用されています 1,2。ファイバ内の後方 SBS の利得帯域幅は 30 MHz 程度と比較的狭いため、自由スペクトル範囲が狭い比較的長いファイバキャビティであっても、単一の縦方向レーザ発振モードが選択される可能性があります。ブリルアンファイバーレーザーは、マイクロ波光信号の生成と処理 3、および光ファイバージャイロスコープ 4 で使用されます。また、後方 SBS レーザーは、フッ化カドミウム 5、カルコゲナイドガラス 6、シリカ 7、シリコン 8、シリカ中の窒化ケイ素 9 などの微小共振器および集積フォトニックプラットフォームでも実証されています。

光ファイバーや導波路における SBS は、順方向でも発生する可能性があります 10、11、12、13。順方向 SBS は、共伝播する 2 つの光波と、主に横方向の導波音響波とを結合します10、11、12、13。逆方向メカニズムと比較して、順方向 SBS には通常、低周波の音波が含まれ、その線幅は通常より狭く、裸のファイバまたはポリイミドでコーティングされたファイバでは数百 kHz に達します 14。利得帯域幅が狭いため、さらに長いファイバキャビティの単一縦モードの選択が可能になります。さらに、このような長いファイバーキャビティでの光子の寿命はフォノンの寿命よりもさらに長くなり、ポンプに対してレーザーの線幅を狭くすることができます2。

ファイバー内での前方 SBS レーザーの実現は、基本的な課題に直面しています。後方効果とは異なり、単一の空間導波光モード内での前方 SBS は、連続入力ポンプ波の位相変調を引き起こし、レーザー発振信号の誘導増幅を提供しません 15。そのため、順方向 SBS レーザーを標準のシングルモードファイバーで得るのは困難です。前方ブリルアンレーザ発振は、異なる空間モードで共伝播するポンプ光場と信号光場の間のモーダルプロセスで達成できます16。インターモーダル順方向 SBS レーザーの画期的な実証が、吊り下げられたシリコン膜内の導波路で報告されています 17。これらのデバイスには特殊な製造能力が必要です。さらに、順方向 SBS シリコンレーザーの信号光子の寿命はフォノンの寿命よりも短いため、現時点では光線幅の狭化をサポートしていません。フォワード SBS は、標準 10、11、12、13、偏波維持 (PM)18、および特殊なナノ構造ファイバーとフォトニック結晶ファイバー 19、20、21 で徹底的に研究されています。ただし、私たちの知る限り、前方 SBS レーザーはどのファイバープラットフォームでもまだ報告されていません。

この研究では、最初の前進型 SBS ファイバーレーザーを提案し、実証します。このレーザーは、既製のパンダ型 PM ファイバーをベースにしています。レーザー光ファイバの長さは 30 メートルで、光機械相互作用を強化するために保護コーティングが剥がされています。レーザー発振は、モード間の前方 SBS 増幅によって駆動されます18。連続ポンプ光がファイバーの 1 つの主軸に沿って照射され、直交状態でレーザー発振信号が得られます。レーザー発振信号のフィードバックは、ファイバーの両端にあるファイバーブラッググレーティング (FBG) の形で提供されます。 PM ファイバの複屈折により、非共振ポンプが低い残留反射で FBG を通過する間のみ、フィードバックがレーザ発振信号に提供されます。単一の誘導音響モード、少数の音響モード、または複数のモードとそれらの相互混合による多数の信号を含む、いくつかの動作領域が観察されます。シングルモードレーザーの線幅は出力パワーとともに減少し、実験室環境における縦共振器モードの熱ドリフトによって制限される数 kHz に達します。ファイバーキャビティ内の信号光子の寿命は音響波の寿命よりも 10 倍長いため、順方向ブリルアンレーザーは適切な環境安定化により線幅を狭めることが期待できます。順方向 SBS レーザーのしきい値ポンプパワーは 500 mW 程度です。レーザーの出力パワーは現在、キャビティ内でのイントラモーダル後方 SBS レーザー発振の開始により 250 μW に制限されていますが、この制限は緩和することができます。この概念を拡張すると、ファイバークラッドの外側にあるメディアの高精度センサーが実現する可能性があります。最初の例として、裸のファイバークラッドの外側の水がレーザーシステムに与える影響を示します。水の存在は光キャビティには影響しませんが、順方向 SBS 利得係数が低下し、発振閾値が上昇します。このような周囲への敏感さは、前方 SBS 機構に特有のものです。

図 1a は、パンダ型 PM ファイバーの概略断面図を示しています。 B2O3 ガラスをドープしたシリカのひずみロッドは、遅い \(\hat{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}}\) と速い \(\hat{{{{{{ \boldsymbol{y}}}}}}}\) 主軸。図1bは、2つの偏光モードで導波される光の分散関係の概略図を示しています。低速状態と高速状態の実効インデックスをそれぞれ \({n}_{s,f}\) と表し、それらの差を \(\triangle n={n}_{s}-{n) で表します。 }_{f}\)。 PM ファイバは、軸方向に伝播する導波音響モードの大規模な離散セットもサポートしています18。各モード \(m\) はカットオフ周波数 \({\varOmega }_{m}\) によって特徴付けられ、それ以下では伝播しません。

a パンダ型 PM ファイバーの概略断面図。 b PM ファイバの低速 (青色) および高速 (茶色) 主軸内を導波される光の時間周波数と軸波数の間の分散関係の図。同じファイバの 1 つの導波音響モードの分散関係も示されています (緑色)。音響モードはカットオフ周波数によって特徴付けられ、その周波数を下回ると伝播できなくなります。順方向 SBS プロセスでは、2 つの主軸間で光を結合できます18 (紫)。結合は、一方の側波帯についてのみ波数が一致します。この例では、速軸に沿って偏光された光は、インターモーダル順方向 SBS プロセスによって周波数がダウンシフトされる可能性があります。対応するアップシフトプロセスは、波数の不一致によって妨げられます。対照的に、モード内前方ブリルアン散乱は入力ポンプ波を上側波帯と下側波帯の両方に結合させ、代わりに位相変調を引き起こします (黒)。 c カットオフ周波数 68 MHz のパンダ型 PM ファイバーの 1 つの誘導音響モードにおける密度振動の計算された正規化横方向プロファイル。

1つの導波音響モードの周波数と軸波数の間の分散関係を図1bに示します。カットオフに近づくと、音波の軸方向の波数が消失し、モードは完全に横方向になります10、11、12、13。カットオフに近い音響モードの材料変位プロファイルも主に横方向です10、11、12、13。音波の軸方向の群速度はカットオフでゼロに近づきますが、軸方向の位相速度は無限に大きくなります。図1cは、カットオフ周波数68MHzのパンダ型PMファイバの1つの導波音響モードの密度振動の数値的に計算され正規化された横方向プロファイルを示しています。

\(\hat{{{{{\boldsymbol{y}}}}}}\) 軸に沿って偏光した周波数 \({\omega }_{p}\) の光ポンプ波を考えます。ポンプ波は、周波数 \({\omega }_{p} の共伝播 \(\hat{{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}\) 偏波信号波と結合できます。 -\varOmega\) は、インターモーダル順方向 SBS プロセスで実行されます (図 1b18)。結合は、周波数 \(\varOmega\) と軸方向波数 \({q}_{z}=\left(-\Delta n{\omega }_{p}+{n}_{) の誘導音波によって起こります。 s}\varOmega \right)/c\estimate -\Delta n{\omega }_{p}/c\)。ここで \(c\) は真空中の光の速度です。音波は \(-\hat{{{{{{\boldsymbol{z}}}}}}}\) 方向に伝播します (図 1b18)。 \(\hat{{{{{{\boldsymbol{y}}}}}}\) 偏光ポンプ波と直交信号波の光パワーレベルを \({P}_{y,それぞれ、x}\left(z\right)\)、\(z\) は軸座標です。 2 つの電力レベルの順方向 SBS 結合は、次の結合方程式で記述されます18。

ここで \({\gamma }_{m}\left(\varOmega \right)\) は音響モード \(m\) によるモーダル間前方 SBS の係数であり、単位は [W−1 × m−1] です。 ]18:

式では、 (3)、\({\varGamma }_{m}\) はモーダル線幅であり、音響エネルギーの減衰率も表します。ゲイン係数は、カットオフ \(\varOmega ={\varOmega }_{m}\) で最大の大きさ値 \({\gamma }_{0m}\) を取得します。 \({\gamma }_{0m}\) は純粋に虚数であり、正の値であるため、式 18 となります。 (1) と式 (1) (2) は、低周波 \(\hat{{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}}\) 偏波信号波のブリルアン増幅とポンプの減衰を示しています 18。コーティングされていないパンダ型 PM ファイバーの振幅 \(\left|{\gamma }_{0m}\right|\) は、1 [W−1 × km−1] のオーダーに達します18。共振に対する影響の強さは、カー非線形性の影響に匹敵します。

周波数 \({\omega }_{p) の \(\hat{{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}}\) 偏波上側波帯信号へのポンプのモーダル間順方向 SBS 結合}+\varOmega\) は、約 10 [rad × m−1] の波数不一致 \(\left|\Delta k\right|=2{n}_{s}\varOmega /c\) によって妨げられます18 。この不一致は、少なくとも数十センチメートルの長さの PM ファイバーでは顕著になります。下側波帯と上側波帯へのポンプ波の結合間のこの非対称性は、標準シングルモードファイバなどの単一空間光学モード内での前方 SBS プロセスとは顕著に対照的です。イントラモーダル順方向 SBS は、同じ誘導音響波による両側の側波帯への対称結合によって特徴付けられ、その結果、振幅変調や増幅ではなく位相変調が生じます (図 1b15 を参照)。位相変調は誘導音波を強化しません。したがって、前方 SBS ゲインとレーザー発振を得るには、モード間の前方 SBS プロセスが必要です。

PM ファイバ上の提案された前方 SBS ファイバレーザを図 2 に示します。レーザ発振キャビティは、テスト対象の裸の PM ファイバの両端にある FBG によって定義されます。回折格子は、周波数 \({\omega }_{p}-) の \(\hat{{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}\) 偏光のピーク反射率が 99% 以上になるように設計されています。 \varOmega \およそ {\omega }_{p}\)。 PM ファイバの複屈折により、同じグレーティングは \(\hat{{{{{\boldsymbol{y}}}}}}\) 軸に沿って偏光された同じ周波数のポンプ光を低い反射率で透過します。回折格子の反射帯域幅は、2 つの偏光を区別できるほど十分に狭くなければなりません。 \(\hat{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}\) 軸に沿って偏光した光の全体的な往復伝播損失は 2 ～ 3% 程度です (実験的な特性評価を参照) ) 裸の PM ファイバの数十メートルにわたる数百ミリワットレベルのポンプ波によって誘発されるモード間の順方向 SBS 増幅は、これらの損失を克服し、レーザー発振閾値に達することができます。前方 SBS レーザーの光周波数は、誘導音響モードに対応する差 \({\varOmega }_{m}\) だけポンプの光周波数よりも低くなります。 \(\left|{\gamma } _{0m}\right|\) は大きいです。

a PM ファイバーの前方 SBS レーザーの概略図。キャビティは、裸のファイバ部分の両端にあるファイバブラッググレーティングによって定義されます。 b 速軸に沿って偏光したポンプ光 (茶色) は、特定の光周波数で遅軸に沿って偏光した光 (青色) に対してモード間の前方ブリルアン散乱増幅を提供します。その周波数の遅軸信号は回折格子によって強く反射されます。 c PM ファイバの複屈折により、同様の光周波数の速軸偏光ポンプ光 (茶色) は、低い反射率でグレーティングを通過します。

図 3a (赤と緑のトレース) は、測定および計算されたスペクトル \(2{{{{\rm{Im}}}}}}\left\{{\sum }_{m}{\gamma }_{ m}\left(\varOmega \right)\right\}\) 試験対象の長さ 30 メートルのベア PM ファイバー内のモーダル前方 SBS の例 (測定セットアップ、プロトコルおよび計算の詳細については、方法および以前の参考文献 18 を参照) 。スペクトルはまばらで狭い共鳴で構成されており、特に 68、169、220 MHz の周波数でピークが観察されます。 169 MHz における順方向 SBS 係数の大きさは、1.4 ± 0.2 W−1 × km−1 と推定されました (測定手順の方法を参照)。スペクトルピークの線幅は 200 ～ 600 kHz です。

a テスト対象の長さ 30 メートルの裸 PM ファイバの 2 つの主軸間のパワーのモード間順方向 SBS 結合の測定（赤の破線）および計算（一点鎖線の緑）の正規化スペクトル。青色のトレースは、前方 SBS レーザー発振とポンプ波の局部発振器レプリカとの間のビートスペクトルを示し、黒色のトレースは、レーザーキャビティからの自発的なモード間前方ブリルアン散乱の対応するビートスペクトルを示します (以下の図 5 を参照)。本文中）。 b ファイバの両端に内接する 2 つの FBG によって形成されたキャビティの測定された反射率スペクトル。赤 (青) のトレースは、高速 (低速) 主軸に沿って偏光した光に対応します。黒い矢印は、目的の前方 SBS レーザー発振の波長を示します。その波長では、回折格子は遅軸に沿って偏光した光のみに効果的な反射率フィードバックを提供します。 c キャビティリングダウンによる、グレーティングのピーク反射率の波長での遅軸偏光の測定。 d パネル c トレースの一部の拡大図。測定結果は、寿命が 12 μs であることを示唆しており、これは 2.5% の往復損失に相当します。

図 3b は、同じファイバの両端で接続された 2 つの FBG によって形成されたキャビティの反射率スペクトルを示しています。 2 つの回折格子のブラッグ波長は、最初は 0.4 nm オフセットされていました。図3bの測定の前に、手動の精密マイクロメータを備えたリニアステージで回折格子の1つをひずみ調整して、2つの波長を揃えました。このような位置合わせにより、潜在的なレーザー信号の往復伝播損失が最小限に抑えられます。 \(\hat{{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}\) と \(\hat{{{{{\boldsymbol{y}}}}}} のピーク反射率の波長}\) PM ファイバーの複屈折により、偏光は 0.45 nm (55 GHz の周波数オフセット) 異なります。レーザー発振を目的とした波長は、図 3b の黒い矢印で示されています。その波長では、回折格子は低速 \(\hat{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}\) 軸に沿って偏光した光のみに効果的な反射率フィードバックを提供します。

図 3c は、テスト対象のファイバ内の \(\hat{{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}}\) 偏光のキャビティリングダウン測定を示しています。 10 mW 出力のレーザーダイオードからの光は、電気光学変調器で持続時間 100 ns、周期 50 μs のパルスを繰り返すことによって強度変調されました。レーザー波長は、電流と温度の調整を使用して 2 つの FBG のピーク反射率に一致するように正確に調整されました。レーザーダイオード出力のアイソレータは、キャビティグレーティングからの反射が光源に到達するのを防ぎました。ファイバの遠端の光は、50 V × W−1 の応答性と 2 ns の立ち上がり時間の受光器によって検出されました。検出器の出力電圧は、デジタル化オシロスコープによって毎秒 500 メガサンプルでサンプリングされました。トレースは、1024 回の繰り返しパルスにわたって平均化されました。検出されたトレースは、PM ファイバー内の \(\hat{{{{{\boldsymbol{x}}}}}}\) 偏光の寿命を表す減衰エンベロープ内にある、無限の一連のパルスレプリカで構成されています。空洞。寿命は 12 μs と推定され、これは長さ 30 メートルの空洞内での往復損失 2.5% に相当します。同じ量の順方向 SBS ゲインを得るのに必要なポンプパワーは、600 ± 100 mW と推定されます。

図 4a は、レーザー発振セットアップの概略図を示しています。ポンプ光は、以前に使用されたものと同じレーザーダイオードから引き出されます。ポンプレーザーの線幅は 1.25 kHz と指定されています。レーザー出力は 2 つの経路に分割されました。一方のアームの光は、可変出力パワーのエルビウムドープファイバ増幅器 (EDFA) で増幅され、テスト対象の PM ファイバの高速主軸と位置合わせされ、偏光ビームスプリッタを介してレーザキャビティに入射されます。バンドパスフィルターとアイソレーター (図示せず) をそれぞれ使用して、増幅器の増幅された自然放出を抑制し、反射が光源に戻るのをブロックしました。レーザー発振実験では、潜在的な順方向 SBS レーザー発振信号に対して最大のフィードバックを提供するために、ポンプ波長を遅軸に沿った回折格子のピーク反射率の波長と合わせました。一方、速軸偏光ポンプ波は、弱い残留反射率のみで回折格子を通過します。自発ブリルアン散乱の測定では、ポンプ波長は回折格子のピーク反射率から 0.5 nm 離調しました。このような離調により、遅軸に自発的に散乱した光は、FBG から無視できる程度のフィードバックを受けます。

PM ファイバー内の前方 SBS レーザーの実験セットアップの概略図。 EDFA: エルビウムドープファイバー増幅器。 PBS: 偏光ビームスプリッター。 PC: 偏波コントローラ。 FBG: ファイバーブラッググレーティング。 b PM ファイバキャビティの遅軸出力と入力ポンプ波の局部発振器レプリカの間で検出されたビートのパワースペクトル密度 (PSD)。光ポンプパワーは２７．５ｄＢｍであった。トレースは、電気スペクトルアナライザー (ESA) によって最大ホールドモードで 3 分間にわたって取得されました。 68 MHz の周波数で単一のピークが観察されます。このピークは、そのカットオフ周波数の誘導音響モードを通じて発振する前方 SBS に対応します。 c パネル b と同じ、ポンプパワーは 28 dBm。 4 つのピークが観察され、68、169、320、および 347 MHz のカットオフ周波数の音響モードによる前方 SBS レージングを表します (図 3a を参照)。 d パネル b および c と同じで、ポンプパワーは 28.5 dBm です。多数のスペクトルピークは、複数の誘導音響モードおよび相互混合積による前方 SBS レージングに対応します。

レーザーダイオードソースの 2 番目の出力ブランチの波形は遅い主軸と一致しており、局部発振器として機能します。局部発振器の電力 \({P}_{{LO}}\) は 2 mW でした。レーザー発振器から放射された光は、PM カプラー内の局部発振器と混合されました。ファイバキャビティの外側で PM コンポーネントを使用することにより、偏波のドリフトやフェージングを発生させることなく、レーザー発振信号と局部発振器の間のビートが可能になりました。結合された出力は、応答性 \({{{{\mathscr{R}}}}}\) = 22.5 V × W−1 および 18 ps の立ち上がり時間の受光器によって検出されました。検出器の電圧は、リアルタイムデジタル化オシロスコープと電気スペクトルアナライザーを使用して観察されました。電圧の大きさ \(V\) は、レーザーキャビティから放射される光場の電圧の大きさに比例します。

図 4b は、検出された電圧のパワースペクトル密度 \({\left|\widetilde{V}\left(\varOmega \right)\right|}^{2}\) の電気スペクトルアナライザーの測定を示しています。トレースは、最大ホールドモードの動作で 3 分間にわたって、スペクトル分解能 1 MHz で取得されました。ポンプパワーは２７．５ｄＢｍであった。 68 MHz で、空洞からの放射と局部発振器の間のうなりに単一のピークが観察されます。この周波数は、テスト対象の PM ファイバの最低次相互モード順方向 SBS 共振の周波数と一致します (図 3a)。結果は、68 MHz カットオフ周波数の誘導音響モードを通じてファイバーキャビティ内で順方向ブリルアンレージングが発生することを示しています。取得は何千回も繰り返されました。ほとんどの場合、単一周波数の順方向 SBS レージングは 68 MHz 音響モードを通じて得られましたが、(確率は低いですが) 169 MHz および 220 MHz の周波数でも単一ピークトレースが得られました。これらの周波数は、テスト対象のファイバーにおける順方向 SBS 増幅の一次ピークとも一致します (図 3a)。 68 MHz での順方向 SBS 係数は、すべてのモードの中で最大ではありません (図 3a)。一方、低周波数モードは音響寿命が最も長いため、この順方向 SBS 周波数での発振が優先される可能性があります。

ポンプパワーが 28 dBm に上昇すると、68、169、320、および 347 MHz の周波数で 4 つのピークが観察されました (図 4c)。追加の 3 つの周波数は、ファイバー内のモーダル間順方向 SBS の主要なピークに対応します (図 3a を参照)。ポンプパワーがさらに 28.5 dBm まで増加すると、レーザー発振信号に多くのスペクトル成分が観察されました (図 4d)。ピークは、複数の誘導音響モードと、レーザー信号間の非線形混合に起因すると考えられます。

図 5a は、200 ミリ秒の長さのトレースの短時間フーリエ変換 (STFT) \({\left|\widetilde{V}\left(\varOmega ,t\right)\right|}^{2}\) を示しています。検出された出力電圧 \(V\left(t\right)\) の値。\(t\) は時間を表します。ポンプパワーは２９ｄＢｍであった。 STFT ウィンドウの長さは 250 μs でした。複数の周波数で前方 SBS レーザー発振が観察されます。レーザー光のピークは、ミリ秒の時間スケールでオンとオフに切り替わります。このダイナミクスは、おそらく前方の狭い前方 SBS ゲインピークを通る縦キャビティモードの環境ドリフトによるものと考えられます。縦モードの自由スペクトル範囲は 3.4 MHz で、順方向 SBS 増幅の数百 kHz の線幅よりもはるかに広いです。 10−4°K程度の温度変化は、順方向SBS線幅にわたって縦共振器モードを走査するのに十分である22。図 5b は、ポンプ出力 29 で再度取得した、169 MHz 付近の \({\left|\widetilde{V}\left(\varOmega ,t\right)\right|}^{2}\) トレースの一部を示しています。 dBm。瞬間的なレーザー発振周波数は、ミリ秒の時間スケールで数十 kHz を超えて変動します。ドリフトは、ミリ秒以上にわたって観察される場合、レーザー発振線幅の狭小化を制限します。

a 200 ミリ秒にわたるレーザー信号と局部発振器の間で検出されたビートの短時間フーリエ変換 (STFT) の相対的な大きさ (dB スケール)。ポンプパワーは２９ｄＢｍであった。順方向 SBS の狭い利得帯域幅にわたる縦空洞モードの環境ドリフトにより、異なる周波数の音響モードを介した複数のレーザー発振信号がミリ秒の時間スケールでオンとオフを切り替えます。 b 同じポンプパワーでの、パネル a と同様の STFT マップの拡大図。 169 MHz 音響モードによる瞬間的な発振周波数は、ミリ秒単位で数十 kHz 変動します。 c 光ポンプパワーの関数として測定されたレーザー出力信号の光パワー。 68 MHz 音響モードによる順方向 SBS レーザー発振の結果が示されています。青いマーカーはデータポイントを示し、赤いトレースは傾向線を表します。発振閾値は、26.5 dBm のポンプパワーレベルで観察されます。 d パネル c に示されているのと同じモードで、レーザー出力パワーの関数として測定された半幅線幅。線幅は、検出された波形の短時間フーリエ変換を通じて、時間幅 250 μs で計算されました。線幅は、しきい値を十分に下回る 6 ～ 8 kHz から、しきい値を十分に上回る 2.5 ～ 3.5 kHz まで減少します。後者の値は変換が制限されています。ミリ秒以上にわたって観察されると、環境ドリフトにより、レーザー発振線幅のさらなる狭化が制限されます。 e 169 MHz音響モードを介したファイバキャビティからの自然放出と局部発振器との間のうなりのパワースペクトル密度（青、図3aを参照）。自発的なモード間前方ブリルアン散乱の半値幅は 250 kHz です。緑色のトレースは、同じ音響モードによる順方向 SBS 増幅のスペクトルを示しています (図 3a)。ゲイン曲線の線幅は 175 kHz です。マゼンタのトレースは、2 ミリ秒の長さのトレースにわたる、しきい値を超えるレーザー発振信号と局部発振器の間のうなりのスペクトルを示しています。ポンプパワーは２８ｄＢｍであった。ビート線幅は 5 kHz に減少します。

図 5c は、レーザー出力パワー \({P}_{s}\) を入力ポンプ波の光パワーの関数として示しています。 68 MHz 音響モードによる順方向 SBS レーザー発振の結果が示されています。レーザー出力パワーは次のように推定されます \({P}_{s}={\left|\widetilde{V}\left(\varOmega \right)\right|}^{2}/\left(2{{{ {{\mathscr{R}}}}}{P}_{{LO}}\right)\)。明確なしきい値は 26.5 dBm のポンプパワーレベルで識別されます。観測された閾値は、モード間前方 SBS およびキャビティ往復損失の測定係数に基づいて、期待値 28 ± 1 dBm とほぼ一致しています (図 3)。ファイバーキャビティ内の逆方向 SBS の開始により、レーザー発振信号の出力パワーは 250 μW で飽和します (以下を参照)。しきい値と飽和の間のレーザー出力パワーの微分勾配効率は約 0.005 です。微分効率が低いということは、ファイバセクション間の接続などのキャビティ内損失が、出力 FBG による損失よりもはるかに大きいことを示唆しています。キャビティ内のスプライシングは、単一の連続ファイバー部分に FBG を刻印することで排除できます。

図 5d は、\({\left|\widetilde{V}\left(\varOmega \right)\right|}^{2}\) の標準偏差として計算された半幅発振線幅を、次の関数として示しています。出力電力 \({P}_{s}\)。結果はパネル (c) の同じモードで表示されます。スペクトルは、250 μs の長さのウィンドウを備えた STFT を使用して計算されました。線幅は、しきい値を十分に下回る 6 ～ 8 kHz から、しきい値を十分に上回る 2.5 ～ 3.5 kHz に向かって減少します。線幅のさらなる減少は、熱ドリフトによって制限されました (上記を参照)。

図5eは、ファイバーレーザーキャビティからの自発的なモード間前方SBSのスペクトルを示しています（青色のトレース、図3aを参照）。自然散乱線の半値幅は 250 kHz です。観察された線幅は 1.2 μs の音響寿命に相当し、これはレーザーキャビティ内の信号光子の寿命より 10 倍短いです。したがって、順方向 SBS ファイバーレーザーは、環境ドリフトを適切に安定させながら、光線幅の狭小化につながる可能性のある領域で動作します。このパネルには、同じ音響モードによる順方向 SBS の増幅スペクトル (緑色、線幅 175 kHz、図 3a を参照)、およびしきい値を超えて検出された出力電圧のスペクトル (マゼンタ、励起電力 28 dBm) も示されています。スペクトルは、2 ミリ秒の長さのトレースのフーリエ変換を通じて計算されました。発振線幅は 5 kHz で、増幅スペクトルや自然放出の線幅よりもはるかに狭いです。

PM ファイバーキャビティ内の前方 SBS レーザー発振には、モーダル内の後方 SBS レーザー発振が伴います。後方 SBS レーザー発振成分の周波数は、ポンプおよび前方 SBS レーザー発振信号の周波数よりも 11 GHz 程度のオフセットだけ低くなります。速軸に沿った後方SBSレーザ発振は、その偏光における1%未満の弱いキャビティ反射率によって強く抑制されます（図3b）。ただし、後方 SBS は遅軸に沿って発振閾値に達する可能性があります。遅軸に沿った後方 SBS レーザー発振周波数でのキャビティ反射率は約 40% です (図 3b)。キャビティフィードバックは、前方 SBS レーザー発振信号よりも効果がはるかに低い (>99%) が、後方 SBS のゲイン係数は大幅に強く、テスト対象のファイバーでは 200 W−1 × km−1 と推定されます。その結果、数十 mW のキャビティ内パワーは、効率の低い回折格子フィードバックを克服し、この競合メカニズムを通じて遅軸での発振に到達するのに十分な後方 SBS 利得を提供します。

後方SBS発振は、\({\left|\widetilde{V}\left(\varOmega \right)\right|}^{2}\)の高周波電気スペクトルアナライザー測定で観察されました（図6）。トレースは最大ホールドモードで 3 分間にわたって取得され、スペクトル分解能は 1 MHz でした。第１の逆方向ＳＢＳ信号は、遅軸に対する速軸ポンプ波の部分偏波クロストークにより得られる。漏れ成分は、入力ポンプ周波数での強力な FBG フィードバックの恩恵を受けるため、たとえ弱い初期偏光クロストークでもキャビティ内に蓄積し、後方 SBS 発振閾値に達します。最初の逆方向 SBS トーンは、標準ファイバのブリルアン周波数シフトと一致して、ポンプ周波数から 10.84 GHz のオフセットで現れます (図 6a)。

a 電気スペクトルアナライザー (ESA) によって測定された、レーザーキャビティ出力と局部発振器の間のビートのパワースペクトル密度。 ESA は最大ホールドモードで 3 分間データを取得しました。ポンプパワーは２６．３ｄＢｍであった。 10.84 GHz の周波数の信号は、PM ファイバキャビティ内の後方 SBS レージングによるもので、入力ポンプ波の高速主軸から低速軸への残留漏れによって駆動されます。 b パネル a と同じ、ポンプパワーレベル 28.4 dBm。追加の後方 SBS レージングピークが 10.91 GHz および 11.01 GHz のオフセット周波数で観察されます。これらの信号は、68 MHz および 168 MHz の周波数の音響モードを通じて、前方 SBS レーザー発振コンポーネントによって駆動されます。

さらに、前方 SBS レーザ発振信号自体は、キャビティ内で十分なパワーレベルに達し、追加の後方 SBS レーザ発振コンポーネントに対する有効なポンプ波になる可能性があります。図 6b は、68 MHz および 169 MHz の音響モードを通じて前方 SBS レージングトーンによって駆動される、10.91 GHz および 11.01 GHz オフセットの 2 つの追加の後方 SBS 信号を示しています。逆方向 SBS の利得帯域幅は 30 MHz で、長さ 30 メートルのファイバーキャビティ内の縦モードの自由スペクトル範囲 3.4 MHz よりもはるかに広いです。したがって、いくつかの縦モードでの発振が各逆方向 SBS 信号内で観察されます。十分に高いポンプパワーの場合、多数の前方および後方両方の SBS 成分とそれらの間の相互混合が観察されました。後方 SBS レーザー発振の開始により、前方 SBS レーザーコンポーネントのキャビティ内パワーは数十 mW に制限され、その出力パワーはわずか 250 μW に制限されます。前方と後方の SBS レージング間のバランスを変更する可能な手段については、次のセクションで説明します。

前方 SBS ファイバーレーザーシステムは、クラッド境界の外側にある媒体が光キャビティに影響を及ぼさない場合でも、その媒体に敏感です。このユニークな特性を説明するために、裸のファイバーの空洞を部分的または完全に水に浸しました。クラッドの外側に水があると、前方 SBS のスペクトルピークが広がり、最大利得係数が 1 桁減少します 24。したがって、浸漬されたセクションは、キャビティに沿った前方 SBS 増幅にはほとんど寄与しません。図 7 に示すように、ファイバー長の 40% が水に浸漬されると、レーザー発振閾値が 1.5 dB 上昇しました。ファイバーが全長にわたって濡れている場合、レーザー光線を照射することはできません。キャビティ外部の状況に対するこのような敏感さは、フォワード SBS メカニズムに特有のものです。この結果は、センシング用途におけるフォワード SBS ファイバーレーザーの可能性を示しています。

光ポンプパワーの関数として測定されたレーザー出力信号の光パワー。 68 MHz 音響モードによる順方向 SBS レーザー発振の結果が示されています。裸のファイバーのキャビティは空気中に保持されるか (赤)、長さの 40% が水に浸されるか (青)、または完全に水に浸されます (黒)。マーカーはデータポイントを示し、破線のトレースは傾向線を表します。部分浸漬では、浸漬部分の順方向 SBS 係数が一桁減少するため、発振閾値が 1.5 dB 上昇しました。ファイバーが全長にわたって濡れているため、レーザー光線を照射することができませんでした。

既製のパンダ型 PM ファイバーのインターモーダルプロセスを使用して、前方ブリルアンレーザーが実証されました。その結果、最初の前方ブリルアンファイバーレーザーが確立されました。レーザー発振空洞は、長さ 30 メートルのファイバーの両端にあるファイバーブラッグ反射器によって定義されました。閾値ポンプパワーは約５００ｍＷであり、予想と一致した。出力電力は２５０μＷであった。単一の音響モード、いくつかのモード、および複数のモードの領域が観察されました。レーザ発振は、入力ポンプ波の一方の側波帯が効果的に増幅される一方で、もう一方の側波帯の生成が波数の不一致によって妨げられる、モード間順方向 SBS の非対称特性に依存していました 16、17、18、19、20、21。この特性は、同じ誘導音波が対称性を崩すことなく 2 つの側波帯を誘導し、ゲインではなく位相変調動作を引き起こす、標準的なシングルモードファイバなどのイントラモーダル順方向 SBS プロセスとは対照的です。

順方向 SBS レーザーの線幅は、250 μs にわたって観測された場合、2.5 ～ 3.5 kHz 程度です。これらの線幅は変換制限されており、順方向 SBS プロセス 14,18 のモードゲイン帯域幅や自然放出帯域幅よりも 50 分の 1 狭いです。より長い積分時間にわたって観察すると、長ファイバキャビティの縦モードの環境ドリフトによって、レーザ発振線幅が広くなる。また、モードが自由スペクトル範囲よりも狭いゲイン帯域幅を通過するため、ドリフトはレーザー発振信号のオンとオフを切り替えます。多くの後方 SBS ファイバーレーザーのように、自由スペクトル範囲がゲイン帯域幅と一致する、さらに長いキャビティを使用すると、より優れた安定性が得られます25。

キャビティ内の光子の寿命は、キャビティリングダウンを使用して 12 μs と測定されました。フォノンの寿命はさらに短く、1 μs 以下のオーダーであることが観察されました。この寿命間の階層により、ポンプ波の線幅と比較してレーザーの線幅が狭くなることが予想される2,17,26。共振器長が延長されると、光子の寿命はさらに増加しますが、フォノンの寿命は変化しません。今回の実験では環境ドリフトのため、線幅の狭小化には到達できませんでした（上記を参照）。また、浮遊シリコン膜導波路内で実証された順方向ブリルアンレーザーは、この領域では動作しなかったことにも注意してください。これらのレーザー内のフォノンの寿命は、発振する光子の寿命よりも長いです 17。

この研究で報告されている控えめな出力パワーは、後方 SBS レーザー発振に伴うものによって損なわれています。最初の逆方向 SBS トーンは、入力ポンプ波の偏波クロストークによって駆動されます。この影響は、漏れの弱い、より優れた PM コンポーネントを使用することで回避できる可能性があります。追加の後方 SBS トーンは、前方 SBS レージング信号自体によって刺激されます。これらのトーンの開始は、前方効果と後方効果の間のより好ましいバランスで、より高いキャビティ内パワーまで高めることができる。より鋭い反射スペクトルを備えた FBG は、後方 SBS コンポーネントに提供されるフィードバックをさらに抑制し、より小さなクラッドを備えたファイバーは前方 SBS を強化します。最後に、逆方向 SBS のフィードバックは、アイソレータが埋め込まれたファイバリングキャビティ構成で完全に回避できます。その場合、さまざまなコンポーネントの dB スケールの挿入損失を補償するために、より長い PM ファイバが必要になります。キャビティ内パワーは、回折格子フィードバックがない場合でも、単一パスで増幅された自発的な後方 SBS によって、最終的には数ワットに制限されます。この閾値は、ファイバのコアにある音響アンチガイドによってさらに高くされる可能性があります27。シリコン導波路ベースのレーザー 17 とは異なり、共振器内パワーレベルは 2 光子吸収によって制限されません。

ファイバキャビティ内の損失は、FBG と長さ 30 メートルのファイバの主要部分の間の接続による損失が大部分を占めていました。これらの損失は、単一の連続ファイバー上に回折格子を刻むことによって将来実現される可能性があります。レーザー発振閾値でのポンプパワーはそれに応じて減少します。ポンプと信号の両方が共振できるリングキャビティ構成では、しきい値が大幅に減少する可能性があります。この研究では裸のファイバが使用されましたが、ポリイミドの薄層でコーティングされた市販の PM ファイバでも同様の順方向 SBS 増幅が得られます 14。

前方ブリルアン散乱は、クラッドの外側の物質の機械的特性の影響を受けます24。この特性は、前方ブリルアンファイバーセンサー 14、24、28、29、30、31 の基礎として機能します。前方 SBS ファイバーレーザーは、クラッドおよび/またはコーティングの外側の媒体の変化、またはコーティング自体の特性に非常に敏感です。環境感受性の最初の実証として、ファイバーの空洞が部分的に水に浸かると、レーザー発振閾値が上昇することを示しました。対応する後方 SBS 構成 32 と同様に、前方 SBS レーザーベースのセンサーは、フィードバックなしのセットアップよりも桁違いに感度が高くなる可能性があります。

結論として、既製のパンダ型 PM ファイバーのインターモーダル順方向 SBS に基づいて、新しいタイプのファイバーレーザーが提案され、初めて実証されました。この原理により、コヒーレント性の高いレーザー光源と超高精度の前方 SBS センサーが実現します。

以下のメソッドは、以前の研究ですでに説明されています18。完全性と読者の便宜のために、ここではそれらを簡単に繰り返します。

PM ファイバの前方ブリルアン特性評価のセットアップを図 8 に示します。2 つのブリルアンポンプ波が、1550 nm の波長範囲で共通のレーザーダイオード光源から引き出されています。 1 つのポンプ波は、単側波帯変調器を使用して、周波数が \({\varOmega }_{{IF}}\) = 2π × 9 GHz だけシフトアップされました。最初のポンプ波の強度は、低周波数 \({f}_{1}\) = 2π × 50 kHz で変調されました。ポンプは EDFA によって 500 mW の出力まで増幅され、偏光ビームスプリッターを介して速軸に沿ってテスト対象のファイバーに適用されました。 2 番目のポンプ波は、周波数 \({f}_{2}\ で強度変調された 2 番目の単側波帯変調器を使用した可変シフト \({\varOmega }_{{IF}}+\varOmega\) によってスペクトル的にオフセットされました。 ) = 2π × 40 kHz、500 mW の出力に増幅され、テスト対象のファイバーの遅軸に沿って発射されます。ファイバーの遠端では、遅軸ポンプ波が受光器によって検出されました。ポンプ波間の順ブリルアン結合は、差周波数 \({f}_{1}-{f}_{2}\) で検出された信号をモニタリングすることで定量化されました33。

PBS: 偏光ビーンスプリッター。 EOM: 電気光学振幅変調器。 SSB: 単側波帯変調器。 EDFA: エルビウムドープファイバー増幅器。

インターモーダル順方向 SBS に参加する光波の入力パワーレベルは \({P}_{x,y}\left(t\right)={\bar{P}}_{x,y} と表されます\left[1+{\beta }_{1,2}{{\cos }}\left({f}_{1,2}t\right)\right]\) (前のサブセクションも参照)。ここで、 \({\beta }_{1,2}\) は 2 つのフィールドの既知の変調深さを表し、 \(t\) は時間を表します。遅軸フィールドの出力パワーは、順方向 SBS により差周波 \({f}_{1}-{f}_{2}\) で変調され、変調深度は次のようになります。

ここで \(L\) は PM ファイバーの長さです。 \({f}_{1}-{f}_{2}\) 周波数の変調がロックインアンプによって検出され、その振幅 \({V}_{{out}}\) が記録されます。

インターモーダル順方向 SBS の非線形係数は、次のプロトコルを使用して推定されます。平均電力 \({\bar{P}}_{x}\) の入力波は、制御可能な大きさの信号を使用して周波数 \({f}_{1}-{f}_{2}\) で変調されます\(V\) と事前に校正された \({V}_{\pi }\) を備えた変調器。変調された光波が検出され、監視されます。電圧 \(V\) は、検出器の読み取り値が順方向 SBS 測定の以前の値 \({V}_{{out}}\) と一致するまで変化します。その変調電圧を \({V}_{{ref}}\) と表します。変調深度は順方向 SBS 実験のものと一致するため、次のことがわかります 18:

ここで、 \({J}_{1}\) は第 1 種 1 次ベッセル関数であり、 \({V}_{{ref}}\ll {V}_{\pi }\) です。式 (5) から次のことがわかります。

PM ファイバーの導波音響モードは、弾性波方程式の数値解析を通じて解決されました 34:

ここで、\(x,y\) は横座標、\({v}_{L,S}\left(x,y\right)\) は膨張波とせん断波の音速を表し、\({\mathop{ {{{{{\boldsymbol{u}}}}}}\limits^{ \rightharpoonup }}_{m}\left(x,y\right)\) は、音響における材料変位の正規化された横方向プロファイルを表しますモード \(m\)。シリカのパラメータは 35: \({v}_{L}\) = 5,996 m × s−1、\({v}_{S}\) = 3,740 m × s−1、外径 125.5 μm、密度 \(\rho\) = 2,200 kg × m−3。 B2O3 ドープシリカひずみロッドのパラメータは次のとおりです36: \({v}_{L}\) = 4,895 m × s−1、\({v}_{S}\) = 4,100 m × s−1、 \(\rho\) = 2,080 kg × m−3。ロッドの半径は 17.25 μm で、その中心はファイバー軸から ±27.5 μm 離れた位置にありました。光モードフィールド直径は１０．４μｍであった。

さまざまな媒体での音響減衰率は次のように近似されました: \(\varGamma\left(\varOmega\right)={varGamma}_{0}+{varGamma}_{2}{\varOmega}^{2}\) 37。係数 \({\varGamma}_{0.2}\) は実験から得られたものです。シリカの場合、\({\varGamma }_{0}\) = 1.25 × 106 rad × Hz、\({\varGamma }_{2}\) = 1.6 × 10−12 rad−1 × Hz−1 がわかりました。、ひずみロッドの場合: \({\varGamma }_{0}\) = 7.25 × 106 rad×Hz および \({\varGamma }_{2}\) = 1.6 × 10−12 rad−1 × Hz −1 モード線幅は、音響エネルギーの相対的な閉じ込めに基づいて推定されました。

ここで \(\rho \left(x,y\right)\) は局所密度です。

図 1c、3、4b ～ d、5、6、7 の基礎となるソースデータは、ソースデータファイルとして提供されます。 https://figshare.com/articles/dataset/Data_Fig_A_Forward_Brillouin_Fibre_Laser_csv/19927028。

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この研究は、イスラエル科学技術省の助成金第 2 号によって部分的に支援されました。 61047. ギル・バシャンは、イスラエル科学人文科学アカデミーのアダムズ・フェローシップ・プログラムによって支援されています。ヒレル・ハガイ・ディアマンディは、アズリエリ・フェローシップを受賞したアズリエリ財団に感謝しています。

工学部およびナノテクノロジー先端材料研究所、バルイラン大学、ラマトガン、5290002、イスラエル

ギル・バシャン、H・ハガイ・ディアマンディ、エラッド・ゼハヴィ、カビタ・シャルマ、ヨセフ・ロンドン、アヴィ・ザドク

現在、ワイツマン科学研究所、レホヴォト、7610001、イスラエルのコンピューターサイエンスおよび応用数学学部に所属しています。

H・ハガイ入浴中

現在、応用物理部門、Soreq NRC、Yavne、81800、イスラエルに勤務しています。

ヨセフ・ロンドン

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GB がアイデアを提案し、プロジェクトを開始しました。 GB、HHD、YL、AZ は数学的分析を実行しました。 GB、HHD、YLは数値計算を行いました。 GB、HHD、KS、YL、AZ が実験セットアップを設計しました。 GB、HHD、EZ、KS は実験データを収集しました。 GB、HHD、EZ は実験データを分析しました。 AZ が原稿の草稿を書きました。著者全員が原稿草案についてコメントしました。 AZがプロジェクトを管理しました。

アヴィ・ザドクへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた匿名の査読者に感謝します。査読レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Bashan、G.、Diamandi、HH、Zehavi、E. 他。前方ブリルアンファイバーレーザー。 Nat Commun 13、3554 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-31246-y

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受信日: 2022 年 3 月 10 日

受理日: 2022 年 6 月 10 日

公開日: 2022 年 6 月 21 日

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