光ファイバーブリルアン散乱とは-INNO

ブリルアン散乱は、χ によって引き起こされる効果です。 (3) 媒質の非線形性, 特にフォノンに関連する非線形部分. 入射光子をより低エネルギーの散乱光子に変換できる (通常は逆方向に伝播します) そしてフォノン. 光場とフォノンの結合は電歪によって発生します。. フォノン場は、光パワーが低い場合でも自発的に出現し、発生した熱を反射することができます。. より高い光学焦点の場合, ライトフィールドによりフォノンの数が大幅に増加する刺激効果が発生する可能性があります。. 媒体内のビームの閾値パワーを超える, 誘導ブリルアン散乱は、入射ビームのパワーの大部分を反射できます。. このプロセスには、後方反射波の強力な非線形光学ゲインが含まれます。: 最初は弱く逆伝播する波は、適切な光周波数で強く増幅される可能性があります. ここ, 2 つの逆伝播波が進行性の屈折率格子を生成します。; 反射電力が大きいほど, 屈折率格子が強くなり、実効反射率が高くなります。.

反射ビームの周波数は入射ビームの周波数よりわずかに低い; 周波数差 ν 乙は、放出されたフォノンの周波数に対応します. いわゆるブリルアン周波数シフトは、位相整合要件によって設定されます。. 純粋な逆ブリルアン散乱の場合, ブリルアンシフトは屈折率nから計算できます。, 音速 v a と真空の波長 λ

(繊維内のブリルアン散乱用, 実効屈折率を使用する必要があります。)

光ファイバーでは, ブリルアン散乱は基本的に逆方向にのみ発生します. しかし, 前方ブリルアン散乱も音響導波路により弱い可能性があります.

ブリルアン周波数シフトは材料の組成に依存し、ある程度は媒体の温度と圧力にも依存します。. この依存関係は次の目的で使用されます。ファイバーセンサー.

励起ブリルアン散乱のもう 1 つの重要な応用は光位相共役です。. 例えば, 高出力Qスイッチレーザー用の位相共役ミラーが存在します, これにより、レーザー結晶の前後方向に発生する熱収差を補償することができます。.

光ファイバーにおけるブリルアン散乱

誘導ブリルアン散乱 (SBS) 狭帯域光信号の場合によく発生します (例えば。, 単一周波数レーザーから) ファイバー増幅器で増幅されるか、パッシブファイバーを通じてのみ伝播されます. 材料の非線形性はあるものの、, 例えば。, シリカは実際にはそれほど高くありません, 通常、有効モード領域が小さくなり、伝播長が長くなるため、非線形効果に大きく寄与します。.

形 1 単色の光波が注入されると何が起こるかを示します。 10 m長繊維. 逆伝播するブリルアンシフト波は、非常に低い光パワーで量子上昇から始まります。, しかし急速に成長する. それにもかかわらず, それはまだはるかに少ないです 1 入力電力の W.

形 1: ポンプパワー (左から右への伝播, 赤い曲線) ブリルアン信号パワーを取得 (右から左へ, オレンジ色の曲線) で 10 m長繊維. ポンプ入力電力は 1 W.

わずかに増加したポンプパワーの場合、 1.8 W, ブリルアンゲイン (dB単位で) ほぼ2倍になりブリルアン波が強くなる.

形 2: 図と同じ 1, しかし、 1.8 Wポンプパワー.

ポンプパワーをさらに高めるために, ブリルアン波のパワーはポンプパワーに匹敵するようになる. この場合, 大量のポンプ消耗が発生する. 高いSBSゲインの場合, これは安定した状況をもたらすのではなく、力の混沌とした変動をもたらす.

ファイバーの長さが数キロメートルの場合, ミリワットの電力は重大なブリルアン散乱を引き起こすのに十分です. しかし, 伝播損失を考慮する必要があります, このようなファイバ長ではかなりの量になります. ポンプ波とブリルアン波の両方に影響します.

石英ファイバー用, ブリルアン周波数シフトは約 10-20 GHz およびブリルアンゲインの固有帯域幅は通常、 50-100 MHz, 強い吸音に応じて (フォノンの寿命が約短い 10) NS). しかし, ブリルアンゲインスペクトルはさまざまな影響により「不鮮明」になる場合があります, 音響位相速度の横方向の変化など [14, 19] または縦方向の温度変化. その結果, ピークゲインが大幅に減少する可能性があります, SBS 閾値の上昇につながる.

狭帯域連続波光のファイバのブリルアンしきい値は、通常、次のブリルアンゲインに相当します。 90 デシベル. (アクティブファイバーで追加のレーザーゲインを使用, 閾値はさらに低い可能性があります。) 一連の超短パルスの場合, SBS しきい値はピーク電力によって決定されません, ただしパワースペクトル密度による, スポットライト記事で説明されているように.

SBS は、光ファイバー内の狭帯域光信号の増幅と受動的伝播に対して最も厳しい電力制限を導入します。. ブリルアン閾値を上げるには, ブリルアンゲイン帯域幅を超えて光の帯域幅を増やすことができます, ファイバーの長さを短くする, わずかに異なるブリルアン変位を持つファイバーを接続する, 又は (高出力アクティブ光ファイバーデバイスで) 縦方向に異なる温度を使用する [21]. 導波光と音響波の重なりを減らす試みも行われている, または音響波の重大な伝播損失を導入するため. ドーピング濃度などのSBSの問題, 有効モード領域とポンプの伝播方向は、基本的なアンプ設計の変更によってある程度縮小できます。.

一方で, ブリルアンゲインを使用してブリルアンファイバーレーザーを動作させることができます . このようなデバイスは通常、ファイバーリングレーザーとして製造されます。. 共振器損失が低いため、ポンピング閾値が比較的低く、線幅が非常に小さい場合があります。.

ブリルアンシフトの温度依存性は、温度と圧力の検出に使用できます。.