JP2008532323A - パルスカスケードラマンレーザ - Google Patents

Abstract

パルスカスケードラマンレーザ（10）は、ソース波長を中心とする光学スペクトルを有するパルス光（104）を生成するパルス光源（102）を含んでいる。非線形ラマン変換ファイバ（106）はパルス光源（102）に結合されている。パルス光（104）は非線形ラマン変換ファイバ（106）を進行してソース波長におけるソースパワーはカスケード誘導ラマン効果過程によってソース波長よりも長い出力波長を有する出力信号（108）のパワー出力に変換され、よってソースパワーの殆どは非線形ラマン変換ファイバ（106）を通る単一の経路において最下位のストークス次数のパワーに変換される。

Description

本発明は概してラマンレーザに関し、特に少なくとも中赤外（IR）波長域において使用されるパルスカスケードラマンレーザに関する。

1.8-2.0μmの波長域及びこれを超えて中赤外域（2-10μm）におけるコヒーレント光源は数多くの重要な用途がある（例えば、医薬、生命科学、分光法、及び環境センシング）。重要な用途は、理論的な中赤外域の終点である10μmの波長を越えたより長い波長域であっても存在している。しかしながら、可視光及び近赤外線のスペクトル域用に開発された広く利用可能な光源とは対照的に、より長い波長の光源を選択することは極めて限られている。InGaAsP/InPベースの半導体レーザは、端面発光レーザ（edge-emitting）及び面発光レーザ（VCSEL）のいずれにおいても、1.8μmより短い使用波長に限られている。InSb/InGaAsSbベースの半導体レーザ及び鉛塩半導体レーザは、近年開発された量子カスケードレーザ同様、中赤外波長域において使用可能であるが、極めて低い出力パワー及び／又は極低温での使用に限られている。ソリッドステート及びファイバレーザは、対応するレアアースイオンの使用可能な放射遷移に限られている（例えば、Tm:ZBLAN用には1.9-2.0μm、及びEr:YAG用には2.9μm）。

近年開発された光ファイバにおけるラマン波長シフト技術は、原理的には任意の波長においてレージング（lasing）すなわち光増幅を生じることが可能であり、ここにおいてファイバの作成に使用されるガラス材は透明である。初期波長のn次ストークス成分が（n+1）次ストークス成分を生成するポンプの役割を担うものである高次誘導ラマン効果（SRS）の生成は、公知のカスケード波長コンバータであり、これは光ファイバの生成に使用されるガラス材の透明なウインドウ内において所望の領域への顕著な波長シフトを達成し、低コストの初期レーザ源を使用する。

しかしながら、公知の連続波（CW）ラマン波長コンバータの主な欠点は、各中間ストークス成分用の高品質光キャビティを画定する１対の高反射率鏡（通常はファイバブラッググレーティング群）を具備する必要があることであり、更にSRSカスケード群の数（ストークス次数）が増加すると、変換効率が付随して減少することである。本技術の実用的な用途においては、極めて高い反射率（>99%）のファイバグレーティング群の生成が必要となる。各中間変換波長（ストークス次数）に対して高品質光共振キャビティを形成する２つのグレーティングが採用されなければならず、変換ステップ数の増加に伴い変換効率は急激に減少する。

数百ワットのファイバレーザ群が近年利用可能となってきたが、実質的にはかかる高いパワーを非線形ファイバに伝播せしめて（十分に高いラマンゲインを伴って）、反対方向への誘導ブリルアン散乱を回避するのは困難であろう。

従って、1.8-10μm範囲において高パワーで効果的な可変レーザ源を開発するニーズは依然として存在している。

本発明の１アスペクトは、ソース又はポンプ波長λ_pを中心とする光学スペクトルを有するパルス光を生ずるパルス光源を含んだパルスカスケードラマンレーザである。非線形ラマン変換ファイバがパルス光源に結合しており、該パルス光は非線形ラマン変換ファイバを通過し、ソース波長λ_pにおけるソースパワーは、カスケード誘導ラマン効果過程によってソース波長より長い出力波長λ_outを中心とするパワー出力に変換され、よってソースパワーの殆どは非線形ラマン変換ファイバを通る単一の経路において最後のストークス次数に変換される。

他のアスペクトにおいては、本発明は異なるファイバ区分群から非線形ラマン変換ファイバを形成することを含み、ここにおいて各ファイバ区分はファイバ区分長さを有し、該ファイバ区分長さは、該区分に入る最初のストークス次数のピークパルスパワー並びにファイバ区分のラマンゲイン、減衰及び実効面積から予め定められ、よって誘導ラマン効果の閾値は生成されて該特定の区分を進行するこれらストークス次数群に対して克服され、最後のファイバ区分長さはN次ストークス次数の閾値を克服するには丁度充分であるが、（N+1）ストークス次数の閾値を克服するには充分ではなく、その結果、ソースパワーは殆どN-次の次数に変換される。

本発明の更なる特徴部分及び利点が以下の発明の詳細な説明に記載されており、一部は該発明の詳細な説明によって当業者において自明であるか、若しくはここに記載されている発明を実施することによって認識されるであろう。該発明には詳細な説明及びそれに続くクレーム並びに添付図面が含まれる。

なお、前述した一般的な説明と以下の詳細な説明とは本発明の実施例を示しており、クレームする本発明の性質及び特徴の理解のための全体像すなわちフレームワークを提供することを企図している。添付図面は発明の更なる理解を提供すべく含まれており、本明細書の一部に含まれてこれを構成している。該図面は本発明の種々の実施例を示しており、詳細な説明と併せて本発明の原理及び作用を説明する役割を担っている。

発明の実施の形態

コヒーレント光を生じる非キャビティ若しくは非共振方法及び装置がここに開示されている。本発明の開示によれば、正常（負）分散を伴う光ファイバにおけるパルスポンプ放射のカスケード誘導ラマン効果（SRS）が、特許性を有する方法及び装置において使用されており、その結果、初期のより短い波長がより長い波長群に向けて高次波長シフトする。

以下、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。かかる実施例は添付図面に図示されている。可能な限り、同一若しくは類似の部品には図面全体に亘って同じ参照符号が付されている。本発明の一実施例の波長コンバータすなわちラマンレーザが図１に示されており、全体として参照符号10によって示されている。

図１を参照すると、パルスカスケードラマンレーザ10はソース波長λ_pを中心とする光学スペクトルを有するパルス光104を生成するパルス光源102を含んでいる。非線形ラマン変換ファイバ106がパルス光源102に結合されている。パルス光104は非線形ラマン変換ファイバ106を通過し、ソース波長におけるソースパワーは、カスケード誘導ラマン効果過程によってソース波長よりも長い出力波長λ_outを中心とする出力パワーを有する出力信号108に変換され、よってソースパワーの殆どが非線形ラマン変換ファイバ106を通る単一経路において最後のストークス次数（last Stokes order）に変換される。

ここに定義するように、ソースパワーの殆どが最後のストークス次数のパワー出力に変換されることは、該出力波長における出力パワーとソース波長におけるソースパワーに出力波長を乗じてソース波長で割った値との比は少なくとも50％であることを意味している。

ここに定義するように、「非線形ファイバ」との語句は、十分に大きなラマンゲインを有し、十分な長さを有し、十分に減衰が低く、基本導波路モード用の十分に小さな実効面積を有している光導波路（ファイバを含む）を称しており、よって少なくとも１つの（第１の）ストークス次数を生じる光パワー閾値は、光導波路を生成する材料での光損傷閾値を超えない。

カスケード誘導ラマン効果若しくはラマン波長変換過程から、理論的には、2-10μmの中赤外域における波長を含む任意の所望の出力波長が、光ファイバにおいてラマン波長シフトによって生成可能であり、これはソース及び所望の出力波長において光を導波可能であり、ここにおいて該ファイバを形成するガラス材は透明である。１本のファイバ若しくは異なるファイバ区分からなるファイバ106は、所望の透明度の範囲と、ラマンゲインと、所望の波長域に変換する波長シフトとを有するガラスから形成されている。

レーザ10の出力パワーはファイバの生成に使用されるガラスの光損傷のみに制限され、原理的には数百ワットに達し得る。例として、約1.9μmまでの波長への変換は、パルス光源なしであってもシリカベースのファイバで達成可能であるが、より長い波長での操作は異なるガラスの使用を必要とする。中赤外域（2-5μm以上であって、10μmまで）用の優れた選択肢としてはカルコゲニドガラスがあり、該ガラスはその域において透明であるのみならず、SiO₂に比べて1000倍迄大きいラマンゲインを有することが可能である。中赤外域において重要な３種類のカルコゲニドガラスが存在している。すなわち、波長域2-6μmにおいて最小の減衰を有する硫化物と、8μmまでの域において最小の減衰を有するセレナイドと、可能であれば10μmまでにおいて最小の減衰を有するテルル化物とである。5μmまでにおいて透過率を潜在的に有し得る３種類の酸化物ガラスは、ゲルマン酸塩（GeO₂に基づく）と、アルミン酸塩（Al₂O₃に基づく）と、亜テルル酸塩（TeO₂に基づく、好適に選択される材料であり、テルル化物とは異なるものである）と、である。

高ピークパワーを有するパルス光源102からのポンプパルス群を使用することによって、比較的短い長さのファイバにおいて変換を完了することが可能となる。理論上の最大パワー変換効率は、出力に対するポンプ光子エネルギの比によって定義され、従ってポンピング波長と同程度のオーダーの波長シフトにおいて50%まで到達することが可能である。

オプションとして、パルス光104を増幅すべく高パワー光増幅器がパルス光源102と非線形ラマン変換ファイバ106との間に結合されており、よってパルス光源102のピークパルスパワーを増加することが可能である。従って、アンプ105用の十分に開発されたファイバ増幅技術に基づく費用効果の高いポンプ源が、増加せしめられたパルスピークパワーポンプ源として使用され得る。本発明の方法及び装置は、Ybドーピングされた（〜1.1μmよりも長い出力波長の生成用）ファイバ光アンプ若しくはErドーピングされた（1.6μmよりも長い波長の生成用）ファイバ光アンプを含むポンプ源として特に適しているが、他のタイプのアンプ105を有する他のポンプ源に使用することも可能であり、よって主発振器パワーアンプ（MOPA）を形成する。中赤外域である2-5μmにおける出力波長を含む、2.0μmより大きな出力波長λ_outに対しては、レアアースドーパントとしてTmを有しているツリウム（Tm）光ファイバアンプが望ましい。

励起状態の寿命が極めて長いため（数ms）、レアアース（例えば、Er若しくはYb）がドーピングされたファイバアンプは入力信号の平均パワーを本質的に増幅し、極めて大きなデューティサイクルに対しては、少量の平均パワー出力のみを伴うアンプ105が極めて大きなピークパルスパワーを生じることが可能である。例えば、直接変調された分散帰還型（DFB）レーザダイオードからのシードパルス群、又はパルス群を形成してパルス幅を設定する光変調器に結合された半導体若しくは他のCWレーザによって生成されたシードパルス群は、多段階のErドーピングされたアンプ105において20kWのピークパワーまで増幅されることが可能である一方、最後のステージの平均出力パワーは単に2Wである。

かかる大きなピークパワーにおいて、10次のストークス次数への変換が単に20m長さのシリカベースのファイバで達成される。他のタイプの光アンプ及びシードパルス源、例えば、種々のレアアースイオン群がドープされたQスイッチのソリッドステートレーザ及びソリッドステートアンプ等が増幅されたパルス光源102及び105として使用可能である。

パルス幅を設定すべく、電気的パルス発生器によって半導体レーザダイオードを直接変調することは、更なる増幅を伴うか若しくは伴わないで、パルス光源102がパルス光104を生成することでもある。変換効率を最大化するためには、矩形パルスが好ましい。なぜなら、矩形パルス以外の形状では、パルスの両側部（wing）のパワーが最後の出力ストークス次数（N）への変換に対して十分ではなく、事実上損失するからである。

Er、Yb及びTmドーピングされたアンプは比較的広いスペクトルゲイン帯域幅（数十ナノメータ）を有しているので、全システムは、可変シードパルス源（例えば外部キャビティ半導体レーザであって、直接変調されるか若しくは異なる変調器に結合している）を用いることによって容易に波長を可変にすることが可能である。ある場合においては、中間ストークス次数群のいずれをも例えば水分吸収ピーク等の変換ファイバ106の強い吸収（損失）ピーク群に一致しないように、パルス光104の初期ポンプ波長を位置させることが可能であることも有益であり、よって変換効率の減少が回避される。

パルスピークパワーの他に、パルス幅はパルス光源102の他の変数であり、本発明の効率用に制御されることが教示されている。しかしながら、パルス幅及びパワーの両方はパルス光源102の固定パラメータとすることが可能であり、常に変数である必要はない。

提案する発明において、図１に示すパルス光104の波形に見られるように、カスケードラマンレーザの平均パワーを任意に波長変調することが望まれる場合は、ストークス次数群を生ぜしめるべく、非周期的なパルス光104を依然として使用することが可能であり、この場合はパルス群は同じ時間間隔で順次並ぶことはない。かかる非周期的なパルス光104を生成するために、ソースレーザのデューティーサイクル（パルス繰り返し周期に対するパルス幅の比）が所定の波形に応じて変化せしめられる。その結果、各パルスのピークパワー、従って、出力のピークパワー、波長変換されたパルス群、は同じとなるが、出力の平均パワーはデューティーサイクルに直接比例して変化する。一般に、デューティーサイクルは0と1との間であり、若しくは単一パルスから準CW光であり、これは特定のシステムのピークポンプパワー要求によって決定付けられる。

本発明の教示をより良く理解するには、提案されている装置の作動の原理をより詳細に検討することが有益である。パルスポンプ光104が非線形ラマン変換ファイバ106内を伝播するに従い、パルス光104のソース波長のi-次のストークス次数は最後の次数N迄において、光ファイバの作製に使用されるガラス材料の透明ウインドウ内の所望の領域への有効な波長シフトを達成するカスケードする波長変換過程において、（i+1）次のストークス次数の生成用のポンプとしての役割を担い、これは低コストの初期レーザ源を使用する。パルスカスケードラマンレーザの主な利点は出力パワーの選択肢が柔軟であることである。ポンプ波長及びSRSシフトの数に応じて、シフタの作製に使用されるファイバの透明範囲内の殆ど任意の出力波長を生成することが可能である。

図２の単純化した数値モデル例においては、好適なパルス光源102の替わりに、1.06μmのソース波長における110Wの連続波（CW）ポンプパワーが、直接的に非線形 ラマン変換ファイバに提供されている。モデルの簡単化のために連続波入力源が使用され、その結果の挙動はパルス幅が十分に長い場合と同等となることが期待され、よって、分散関連のパルスのウォークオフの効果が無視可能となる。該モデルにおける他の仮定は各ストークス成分用の10^-9Wのシードパワーがファイバ入力端部に存在していることであり、これは実装置における自発的なラマン散乱過程によって提供されるシードパワーの量とほぼ同等であることが期待できる。図２のパワー対ファイバ長のプロットに示されるように、該パワーは（i+1）次への次の変換ステップが開始する前にi-次ストークス次数に完全に変換される。これは実装置では生じないことがあり、ここでは分散に関連するパルスウォークオフ効果が常に存在する。図２のプロットは更に100-200mのファイバ長が各変換ステップに対して必要であり、全パワーがファイバ出力108において10次ストークス次数（N=10において1.06μmのソース波長用に〜2.0μmの出力波長）に変換されることを示している。図２の数値モデル化のため、15μm²のファイバ実効面積（モードの面積であって、コアの断面積とほぼ同等である）及びGeO₂ドーピングされたシリカの典型的なラマンゲイン（〜1.5×10^-13m/W）が仮定されており、これは典型的な最新のシリカベースの非線形ラマン変換ファイバを表わしており、例えば従来技術のカスケード共振ラマンレーザに最も良く使用されるものである。

更に、図２の数値モデルの結果に示されるように、誘導ラマン効果（SRS）過程の自己位相整合性は、ラマン閾値を克服する十分なポンプパワーと十分なファイバ長であることを条件として、ポンプパワーの全て若しくは殆ど全てが１本の経路において最後のストークス次数に変換されることを確実にする。１本の経路におけるほぼ完全に変換する特性が本発明のベースである。SRSは自己位相整合過程であるため、全てのファイバにおいて生じ、その効率はファイバ分散、減衰若しくは実効面積の変化の影響を殆ど受けない。従って、パルスカスケードラマンレーザの作動は使用するファイバの分散、損失及び実効面積の変化に対して頑強である点が利点である。

出力光が単一の経路で生じるので、高反射率のブラッググレーティングが不要である。レーザキャビティすなわち波長選択リフレクタが全く不要となり、ポンプ波長には不要であり、任意の中間ストークス波長には不要であり、出力パワーには不要である。よってコスト及び複雑さが低減する。

パルスカスケードラマンレーザは本質的に光ファイバの区分若しくは互いに接合されたいくつかの区分群であり、よって複雑なアセンブリは不要である。

他の利点としては、パルス操作によって、誘導ブリルアン散乱（SBS）に付随するいかなる問題も回避される。最適なSBS抑制のためには、パルスは50nsより長くないのが好ましい。SBSを抑制する方法は２つある。すなわち、パルス光源102の線幅を広くすること若しくは非線形ラマン変換ファイバ106における実効的なSBS相互作用長さを短くすることである。しかしながら、これら２つの方法は関連している。なぜならば、線幅を広くすることはソースのコヒーレント長さを減少することであり、これは実効的なSBS相互作用長さに関連している。パルス群を使用することは両方を達成する。パルスが短くなると、線幅が広くなる。不確定性原理に起因して、線幅は少なくともパルス幅の逆数と同じ幅である。更に、パルスの時間が短くなると、空間でのその長さが短くなる。従って、50nsのパルス幅は単に15mのファイバとして解釈され（屈折率を1.5と仮定する）、これはSBSを効果的に抑制するには極めて短い長さである。ここで述べた50nsという数値は一般的なガイドラインとしてのみ理解されることを企図している。ファイバの設計及び所望のポンプ（及び出力）パワーの量に応じて、より長いパルスが良好に機能することがあり、又は50nsよりも短いパルスでさえ必要となるであろう。

本発明の理解のためには、非線形ラマン変換ファイバ106の色分散の必要性を議論するのが極めて重要である。パルスカスケードラマンレーザの操作における主要な要求は、変換ファイバがその経路に沿った任意の位置において、その点を通過するこれらのソース、出力及び中間ストークス次数の少なくとも波長に対して正常（負）分散を有することである。正常（負）分散が、カスケードラマンレーザ効率に不利な非線形光学作用を回避するために必要である、かかる作用は例えばソリトン効果によって生じるパルス崩壊、四波混合によって生じるスペクトル線の拡張、パラメータの若しくは変調の不安定作用による雑音の増幅及び自発的な放射、及び「寄生」スペクトル線群の生成である。

ファイバ導波管設計の公知の技術が、ファイバ分散が正常（負）であることを確証するために使用可能である。クラッドがファイバ長に沿った数多くの孔を含んでいる標準的にドーピングされた若しくはミクロ構造のファイバが使用可能である。かかるミクロ構造のファイバは更なる利点を有していることがあり、これは極めて小さな有効コア面積がSRSゲイン及び変換効率を増加することである。

大きく異なる波長への変換（多くのストークス次数群を介して）が望まれる場合においては、かかる大きな波長域に亘って必要な分散特性を有する単一ファイバを設計することは困難であろう。この場合は、異なるデザインのファイバ群からなるいくつかの区分を連結することが可能である。ファイバを区分化する更なる利点は、各区分が異なる分散を有するように設計可能であるのみならず、この特定の区分において変換を行なうストークス次数群のみを生成するように、各区分を別々に最適化することが可能なことである。更に異なる透明範囲、ラマンゲイン、及び波長シフトを有する異なるガラスで生成されるファイバ群を連結することすら可能である。

前述した不利な非線形作用の抑制に対しては依然として十分なファイバ分散の最小絶対値を定義することは困難である。なぜならば、それは多くの要因に依存しており、該要因にはポンプパルス群の上昇及び下降時間が含まれる。現在の光通信システムにおいては、四波混合の抑制には約2-3ps/nm/kmの分散で十分であると通常信じられている。しかしながら、光通信に使用されるパワーレベルは通常はここで検討したレベルに比べてかなり低い。従って、ファイバ分散が-10ps/nm/kmよりもより負である場合が好ましいことを本発明は教示している。

分散に関して検討すべき他の重要な効果は、パルスウォークオフである。該ウォークオフ現象は、非線形ラマン変換ファイバ106の非ゼロ色分散の結果であることが知られている。変換を行う２つのストークス次数は異なる波長を有しており、従って光の各パルスはファイバ内を異なる速度で進行し、結果的に全パルス幅の一部分のみが重複し、その結果不完全な変換となる。

当業者であれば如何にしてウォークオフ及びパルス幅及び分散及びラマンシフトが相互に関連しているか理解するであろう。εが許容されるパルスウォークオフ量であれば（全パルス幅の%の単位）、局地ファイバ分散Dの絶対値（特定のストークス次数λ_iが伝播する点において）は以下を満たさなければならない。

ここにおいて、Δτはパルス幅、cは光の速度、Δλ_i及びΔυ_iは対応する波長及び周波数におけるi-次ストークスシフトの大きさであり、L_cはi-次変換ステップに必要なファイバの長さである。従って、ストークスシフトの所与の値において、不等式（1）はパルス幅とファイバ分散とを結合する。各々の現実の設計においては、パルス幅を最初に選択してから分散を選択するか、若しくは分散を最初に選択してからパルス幅を選択するかの何れかが、実際に独立して決定される。

図２の生成に使用されるGeドーピングされたシリカファイバの例を考慮すると、図２から判るように、約100Wのピークパルスパワーに対して、最初の数ストークス次数に対する変換長さは約100mである。パルス幅が10nsであることを仮定すると、（1）からファイバ分散は-100ps/nm/kmよりも負とはなり得ないことになる。

上記に基づけば、本発明は、非線形ラマン変換ファイバ分散が正常（負）であることが望ましいが、その絶対値はトレードオフであることを教示している。分散は不利な非線形作用を抑制すべく充分に大きい必要があるが、パルスウォークオフを回避すべく大きすぎてはいけない。10nsのパルス幅を仮定している、図２の生成に使用されているGeドーピングされたシリカファイバの例においては、本発明の教示によれば、ファイバ分散Dは-100ps/nm/km < D < -10ps/nm/kmを満たさなければならないことが定められている。

パルスカスケードラマンレーザ10の制御は、利用可能なポンプパルス幅及びパワーに応じて変換ファイバパラメータ群及び長さを選択することによって提供され、更に中間ストークス次数群の数によって提供される。非線形ラマン変換ファイバ106が先ずその全長に亘って均一な色分散を有すべく提供され、よって色分散は中間ストークス次数のソース波長、出力波長及び全波長に対して正常（負の値を有する）である。ソース、出力及び中間ストークス波長の各々の色分散の値は、不利な非線形作用の最小化の必要性と任意の２つの連続的な変換次数群（波長群）に対するパルスウォークオフの最小化の必要性との間のトレードオフによって決定される。ファイバ長さとしての全長を有するか、若しくは各ファイバ区分長さからなる区分群を有する非線形ラマン変換ファイバ106が、最適長さに切断され、これはパルス光源102のピークパルスパワー並びにファイバ若しくは区分群106のラマンゲイン、減衰及び実効面積から定められ、よって誘導ラマン効果閾値はN個の連続的なストークス次数群に対して克服されるが、（N+1）次では克服されることがなく、その結果、ソースパワーは殆どがN-次の次数若しくは最後の次数に変換される。ファイバ106が非線形ファイバ区分群の直列接続として提供される場合は、各ファイバ区分は特定のファイバ区分を通過する入力、出力、及び中間ストークス次数（波長）の特定のサブセットに対して正常（負の値）な色分散を有するように切断若しくは選択される。サブセットの波長群の各々における色分散の値は、不利な非線形作用の最小化の必要性と、任意の２つの連続する変換次数群（波長群）に対するパルスウォークオフの最小化の必要性との間のトレードオフによって決定される。従って、各ファイバ区分はファイバ区分長さを有し、該ファイバ区分長さはその区分に入る最初のストークス次数のピークパルスパワー並びにファイバ区分106のラマンゲイン、減衰及び実効面積から予め定められ、よって誘導ラマン効果閾値がその特定の区分において生成して通過するそれらストークス次数群に対して克服され、最後のファイバ区分長さはN-次のストークス閾値を克服するには充分であるが、（N+1）ストークス閾値を克服するには充分ではなく、その結果、ソースパワーは殆どN-次の次数に変換される。

本発明はn-次の次数のラマン成分の生成用のポンプパワー閾値がスミスによって導かれた第１次成分用の閾値パワーの式を使用して推定可能であることを教示している。（R.G.スミス（Smith）によるAppl. Opt.の1972年度版第ll巻第ll号の第2489頁。スミスの文献は以下の文献にも記載されている。P.A. Champert、S.V. Popov、及びJ.R. TaylorによるOpt. Lett.の2002年度版第27巻第122頁、及びR.E. Slusher、G. Lenz、J. Hodelin、J. Sanghera、L.B. Shaw、及びLD. AggarwalによるJOSA Bの2004年度版第21巻第6号第1146頁の「高純度As₂Se₃カルコゲニドファイバ群における大きなラマンゲイン及び非線形フェーズシフト（Large Raman gain and nonlinear phase shifts in high-purity As₂Se₃ chalcogenide fibers）」。スミスの式は、本発明の教示内容を包含すべく、以下のように一般化することが可能である。

ここにおいてA_effはファイバの実効モード領域、Lはファイバ長、及びg₀はポンプ波長におけるラマンゲイン係数である。係数k_effは

によって与えられ、ここにおいてλ_pはポンプ波長である。閾値の式にk_effを乗じることによって、波長及び光子エネルギの差異と共にラマンゲイン係数の減少に従って、複数のラマン次数群の生成が考慮される。式（1）は更に異なる波長群での非ゼロファイバ損失を考慮するべく拡張することが可能である。本発明の発明者は、非線形のGeドープされたシリカファイバにおいて、式（2）の予測と1.06μm（約2.0μm）ソースの10次のストークス次数の生成の実験的結果との間の満足な一致を観測した。

図３を参照すると、図１のパルスカスケードラマンレーザ10の変形例が示されている。ラマン変換ファイバ106の終端部306若しくは更なる終端部306'がラマン変換ファイバ106の端部に結合しているので、終端部306若しくは306'はスペクトル形成部（shaper）を提供している。ここに定義するように、スペクトル形成部は任意の光学デバイスであっても良く、これには出力スペクトルの形状を変形することが可能な任意の光学機構が含まれる。該スペクトル形成部は、特定の所望の用途のために、所望の出力スペクトル群の形状を形成する。例えば、スペクトル形成部は特定の波長を通過するスペクトルを広げることが可能である。

特定の波長を通過するスペクトルを広げる終端部306'として、分離した超連続体生成ファイバは、超連続体生成ファイバがレーザ10の出力波長若しくはその近傍においてゼロ分散を有する場合は、超連続体（supercontinuum）出力スペクトルを提供することが可能である。他方において、非線形ラマン変換ファイバ106の終端部306はそれ自身スペクトル形成部として機能することが可能であり、出力波長若しくはその近傍においてゼロ分散を有し、よってファイバ長の最端部における一部分306は超連続体生成ファイバとして機能する。

特異な（正の）分散ファイバ（若しくは正常で且つ極めて小さな分散のものでさえ）における良好なラマン変換は不可能である。なぜならば、スペクトルが広がり、更に四波混合に起因して究極的には超連続体が生成するからである。しかしながら、かかるファイバ若しくはファイバ区分が超連続体生成ファイバとして機能するのであれば、この特性は有益であろう。

図４を参照すると、1.51μmにおいてゼロ分散を有する4km長さのLEAF（登録商標）ファイバに対して1.06μmにおける13nJパルス群でポンピングを行った実験結果が示されており、超連続体スペクトル群対ラマン変換くし状部が対照されている。連続的なラマン生成が〜1.49μmにおいて6次のストークス次数まで、若しくはゼロ分散の波長まで正常に進行し（一方、ファイバは依然として正常若しくは負分散を有している）、その後、ファイバ分散が符号を変えて特異となるや否や超連続体に向けて急激に立ち上がる。

従って、所与の波長域における超連続体の生成方法が教示されている。超連続体を生成するためには、単一非線形ラマン変換ファイバ、若しくは数個のファイバ区分群がある場合は最後の区分のゼロ分散が、ポンプレーザ波長よりも長い所定の波長λ_X若しくはその近傍に設置される。結果として得られるものは、λ_xまでのカスケードラマン波長変換、及びそれに続く、λ_xよりも長い波長域における広い連続的なスペクトル（超連続体）光の生成であり、これは図４に示されている。

本発明の教示によると、中間ストークス次数群の波長及び出力信号108がラマンゲインのスペクトル最大値によって定められる。波長選択リフレクタ群が存在していないので、波長選択の唯一の物理的機構はゲインの波長依存である。結果として、出力波長がポンプ波長の選択、及び光ファイバのガラスの選択によって一意的に定められ、これはストークスシフトを画定する（２つの近接するストークス次数の間の波長若しくは光周波数の差）。出力波長を段階的に調整するためには、本発明はストークス次数が停止する場所における選択を教示している。

例として図２を参照すると、所与のポンプパワーに対して、特定のストークス次数N（図２においてN=10まで）のみが出力信号108であるファイバの長さを見出すことが常に可能である。如何なる波長が該特定のストークス次数であるかは、２つの事柄に依存する。すなわち、ポンプ若しくはソース波長と、ストークスシフトとである。光周波数領域においては（自由空間f = c/λにおいて、ここにおいてラムダは波長でありcは光速である）、ラマンゲインの形状、従ってファイバコアが生成されている材料の最大ラマンゲインに対応するストークスシフトΔfは、波長にかかわらず常に同じである。従って、出力光周波数はf_out = f_in-N×Δfであり、ここにおいてf_inはポンプ若しくはソース周波数である。よって、かかる理想的な場合においては、出力波長はソースパワー、ファイバ長及びストークスシフトによって画定される。

現実的には、パルス光源102からのパルス群は完全な矩形ではないので、更に分散に関連するパルスウォークオフは図２のモデルにおいて推定されるように完全なゼロでは決してないので、生ずると思われる事柄はファイバの任意の場所において、１つではなく多分２つでさえなく、しかしいくつかのストークス線群が同時に存在する。換言すれば、Nが出力において望ましいストークス次数である場合は、（N-1）次の次数からN次への変換が完成する前に、（N+1）次の次数に対する閾値が克服されることが見出されるであろう。その場合は、その波長において損失を導入することによって（N+1）次の次数の生成を抑制するのが望ましい。これが実施された場合は、変換は次数Nで停止し、たとえファイバ長が増大しても更にカスケードすることはない。従って次数Nへの完全な変換の目標を達成するのに必要なことは、充分なファイバ長を有することであり、よって次数N-1から次数Nへの変換が完全に完了する。

たいていの場合においては、変換が正しい順序で停止するような長さを単純に選択するのが好ましい。しかしながら、時々、１つ上の次数の閾値を超過することを回避することが困難となるような強い出力パワーを必要とすることがあり、この場合において波長依存の損失が役に立つ。従って、本発明は正しいファイバ長の選択によるのではなく、特定の（N+1）ストークス線において強い損失を導入することによってラマン変換を停止する可能性について更に教示しており、よって変換は番号Nで終了する。

特定のストークス次数への変換は、次の次数が開始する前に完全に終了するので、出力波長（ストークス次数）の選択は変換ファイバを適切な長さで単に切断することによって実施される。特定のストークス次数波長において、分配（ファイバ導波管用の長い波長カットオフ）若しくは離散（ブラッググレーティング）スペクトルフィルタ素子を導入することが更に可能であり、この場合は、任意の長さのファイバに対して変換は前のストークス次数において停止することが可能である。

再び図１を参照すると、非線形ラマン変換ファイバ106の全長若しくはファイバ106が区分けされている場合のちょうど最後の区分が、ソース波長の特定の（N+1）ストークス次数に対応する波長帯域用の波長選択減衰を提供するように生成されることが可能である。特定の（N+1）次数の閾値が決して超過されることなく、カスケードラマン変換がストークス次数番号Nで終了するように、該波長選択減衰は損失を提供する。波長選択減衰は、ファイバへの吸収ドーパント（例えば水）の導入、ガラス材料の吸収端部、ファイバ導波管の長波長カットオフ、若しくは吸収若しくは減衰に対する他の物理的機構に起因し得る。

代替案として、短期若しくは長期ファイバブラッググレーティング又はファイバにおける鋭角湾曲などの離散スペクトル選択フィルタ素子が非線形ラマン変換ファイバ106内の位置に導入されることが可能であり、ここにおいて出力ストークス次数Nの光パワーは、そうでなければ次数（N+1）を生成する閾値に到達し、これによってそれが生じるのを回避している。

図５を参照すると、高効率ラマン変換用の理想スペクトルの表示がなされており、ここにおいて（N+1）次数は減衰されるか若しくはファイバ長の適切な選択からは現れない。１つ、２つ、若しくは３つのストークス次数のみがファイバ106の出力において出現し、簡単のため全てのNは示されていないことを理解すべきである。

なお、波長依存ファイバカプラなどのスペクトルセレクタを使用することも可能であり、よって選択されたストークス次数若しくはファイバ長に沿った任意の点での次数群の中間出力を提供する。

再び図３を参照すると、オプションとしてのシードソース322が示されている。シードソース322は、ラマン変換効率を増加すべくラマン変換をシードする１個、数個、若しくは全部の中間ストークス及び出力波長において、パルス光源102と共に、WDM結合器（combiner）324を介して非線形ラマン変換ファイバ106に入る同時伝播CW若しくはパルス光の少量を注入するシード光（１つ若しくは多数の波長を有する）を提供する。シード部322及びWDM324は存在しなくても良いことを理解すべきである。それらの唯一の役割は単に対応するストークス次数の緩慢な蓄積を自発的な放射から切り替えることである。

本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく本発明に種々の変形例や変更例がなし得ることは当業者にとって自明である。従って、添付するクレーム及びその均等の範囲内であることを条件として本発明は変形例や変更例が含まれることを企図している。

本発明のパルスカスケードラマンレーザ10のブロック図である。 本発明のいくつかのアスペクトによる数値モデルによって生成されたポンプ光、9つの中間ストークス次数群及び出力光の光パワー対ファイバ長のプロット図である。 図１のパルスカスケードラマンレーザ10のブロック図であり、本発明による更なる特徴部分が示されている。 図３のパルスカスケードラマンレーザ10の出力のスペクトルグラフであり、ここにおいてスペクトル形成部306若しくは306'は本発明による超連続体生成ファイバである。 図１若しくは図３のパルスカスケードラマンレーザ10の理想的出力のスペクトルグラフであり、パワーの殆どは本発明によるN次ストークス次数に変換されている。

Claims (15)

1. ソース波長を中心とした光学スペクトルを有するパルス光を発生するパルス光源と、
   前記パルス光源に結合した非線形ラマン変換ファイバと、を含むパルスカスケードラマンレーザであって、
   前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを通過し、カスケード誘導ラマン効果過程によって前記ソース波長におけるソースパワーは前記ソース波長よりも長い出力波長を中心とする出力パワーに変換され、よって前記非線形ラマン変換ファイバを通る単一経路において殆どの前記ソースパワーが最後のストークス次数のパワー出力に変換されることを特徴とするラマンレーザ。
2. 前記非線形ラマン変換ファイバは、ファイバ全長に亘って均一な色分散を有する単一の非線形ファイバを有し、よって前記色分散は前記ソース波長、前記出力波長、及び複数の中間ストークス次数の全波長に対して正常であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
3. 前記非線形ラマン変換ファイバは連続的に結合された複数の非線形ファイバ区分群を有し、各ファイバ区分は特定のファイバ区分を通過する入力、出力、及び中間ストークス次数波長の特定のサブセットに対して正常な色分散を有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
4. 前記非線形ラマン変換ファイバは、ファイバ長に沿って連続的に変化する色分散を有し、前記ファイバの任意の点において、色分散は前記ファイバの前記点に存在する入力、出力、及び中間ストークス次数波長の特定のサブセットに対して正常であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
5. 前記レーザは更に、前記非線形ラマン変換ファイバと連通して超連続体出力スペクトルを提供する超連続体生成ファイバ部を有し、前記超連続体生成ファイバ部は前記レーザの出力波長若しくはその近傍において分散ゼロを有していることを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
6. 前記非線形ラマン変換ファイバは前記ソース波長の特定の（N+1）ストークス次数に対応する波長域の波長選択減衰用の機構を有し、前記特定の（N+1）次数の前記閾値が決して超えられることなく且つカスケードラマン変換がストークス次数番号Nにおいて終了するように損失を提供し、前記機構は前記ファイバの吸収ドーパント、前記ファイバのガラス材料の吸収端部、及びファイバ導波管の長波長カットオフからなる群から選択されるメンバを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
7. 前記非線形ラマン変換ファイバは前記ソース波長の特定の（N+1）ストークス次数に対応する波長域の波長選択減衰用の機構を有し、前記特定の（N+1）次数の前記閾値が決して超えられることなく且つカスケードラマン変換がストークス次数番号Nにおいて終了するように損失を提供し、前記機構は前記非線形ラマン変換ファイバ内の点に位置する分離したスペクトル選択フィルタ要素を有し、ここにおいて前記出力ストークス次数Nの前記光パワーは他の場合では次数（N+1）の生成用の前記閾値に到達し、よって前記次数N+1の生成を回避することを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
8. 前記レーザは、前記非線形ラマン変換ファイバと、前記ピークパルスパワーを増加してセッティングすべく前記パルス光を増幅する前記パルス光源との間に結合された高出力光ファイバアンプを更に有し、前記高パワー光増幅器はイッテルビウム、エルビウム、及びツリウムからなる群から選択される少なくとも１つのレアアースドーパントメンバによってドーピングされた光ファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ。
9. 波長変換及び波長変換用のカスケード誘導ラマン効果の制御の方法であって、前記方法は、
   ソース波長を中心とした光学スペクトルを有し、且つパルス幅及びピークパルスパワーを有するパルス光を生成するステップと、
   前記ソース波長における前記ソースパワーを前記ソース波長よりも長い出力波長におけるパワー出力に変換すべく、カスケード誘導ラマン効果過程によって前記パルス光をファイバ長及び分散パラメータを有する非線形ラマン変換ファイバに結合してそこを通して伝播せしめるステップと、
   前記非線形ラマン変換ファイバを通る単一の経路において前記出力波長における前記最後のストークス次数の前記パワー出力への前記ソースパワーの変換を最大化すべく、前記パルス幅、前記ピークパルスパワー、前記ファイバ長、及び前記分散パラメータをセッティングするステップと、からなることを特徴とする方法。
10. 前記セッティングするステップは、その長さ全体に亘って均一な色分散を有する前記非線形ラマン変換ファイバを提供するステップを有し、よって前記色分散は中間ストークス次数のソース波長、出力波長及び全波長に対して正常であり、前記ソース、出力及び中間ストークス波長の各々において前記色分散の値は、四波混合によって生じるスペクトルの広がりを含む前記変換効率に不利な非線形光学効果の最小化の要求と、任意の２つの連続する変換次数群（波長群）に対するパルスウォークオフの最小化の要求とによって定められることを特徴とする請求項9に記載の方法。
11. 前記セッティングするステップは、前記ファイバのソース及び前記ラマンゲインの前記ピークパルスパワー、減衰及び実効面積から決定される前記ファイバ長を有する前記非線形ラマン変換ファイバを提供するステップを有し、よって前記誘導ラマン効果閾値はN個の連続的なストークス次数群を克服するが、（N+1）次は克服せず、その結果ソースパワーは殆ど前記N-次の次数に変換されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
12. 前記セッティングするステップは、非線形ファイバ区分群の連続結合を提供するステップを有し、各々は前記特定のファイバ区分を進行する入力、出力、及び中間ストークス次数群波長の特定のサブセットに対して正常な色分散を有し、前記サブセットの前記波長群の各々における前記色分散の値は、四波混合によって生じるスペクトルの広がりを含む前記変換効率に不利な非線形光学効果を最小化する要求と、任意の２つの連続する変換次数群（波長群）に対するパルスウォークオフの最小化の要求とによって定められることを特徴とする請求項10に記載の方法。
13. 前記生成するステップは、前記パルス幅をセッティングすべく、電気的パルス発生器を使用して半導体レーザダイオードを直接変調することを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
14. 前記生成するステップは、光パルス群を形成して前記パルス幅をセッティングすべく、連続波（CW）レーザソース及び光変調器を提供することを含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。
15. ピークパルスパワー及びソース波長を中心とする光学スペクトルを有し且つ略矩形形状を有するパルス群を含むパルス光を生成するパルス光源と、
    前記パルス光源に結合され、中赤外域波長域において透明な光学ガラスから作製された非線形ラマン変換ファイバと、を含んだパルスカスケードラマンレーザであって、前記ガラスは、硫化物、セレナイド、テルル化物、ゲルマン酸（GeO₂をベースとする）、アルミン酸塩（Al₂O₃をベースとする）、及び亜テルル酸塩（TeO₂をベースとする）からなる群から選択されるメンバから作製され、前記パルス光は前記非線形ラマン変換ファイバを進行し、前記ソース波長の前記ソースパワーは前記中赤外域波長域において出力波長の出力パワーにカスケード誘導ラマン効果プロセスによって変換され、前記出力波長は前記ソース波長よりも長く、よって前記ソースパワーの殆どが前記非線形ラマン変換ファイバを通る単一経路において最後のストークス次数の前記パワー出力に変換されることを特徴とするパルスカスケードラマンレーザ。

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