[論文レビュー] Frequency dependence of mode coupling gain in Yb doped fiber amplifiers due to stimulated thermal Rayleigh scattering

Arlee V. Smith, J. Joshua Smith|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2013

Photonic Crystal and Fiber Optics被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、イットルビウムドープ光ファイバアンプにおける誘導熱レイノルズ散乱（STRS）に起因するモード結合利得の詳細な数値モデルを提示する。ピーク利得周波数（FM）はコアサイズ、ドーピングプロファイル、励起状態反転、熱レンズ効果、ファイバの巻き込み、励起方向、光吸収変化（photodarkening）に強く依存することが示された。モデルはFMが有効モード断面積（1/A_eff）に反比例することを予測し、ホールバーニング効果により熱拡散推定値未満に低下することが判明。入力ノイズスペクトルを考慮した場合、測定値と良好な定性的な一致を示した。

ABSTRACT

Using a numerical model we study the frequency dependence of mode coupling gain due to stimulated thermal Rayleigh scattering in step index, Yb doped, fiber amplifiers. The frequency at the gain peak is shown to vary with core size, doping size, population saturation, thermal lensing, fiber coiling, direction of pumping, photodarkening, and pump noise spectra. The predicted frequencies are compared with measured values whenever possible.

研究の動機と目的

• 誘導熱レイノルズ散乱（STRS）に起因するイットルビウムドープ光ファイバアンプにおけるモード結合利得の周波数依存性をモデル化すること。
• ピーク利得周波数（FM）がコアサイズ、ドーピング、励起方向、熱レンズ効果などのファイバ設計および運用条件にどのように変化するかを調査すること。
• モデル予測と測定されたFM値を比較し、モデルの妥当性を検証するとともに、不安定性閾値の低さなどの性能異常を診断すること。
• 横方向ホールバーニング、光吸収変化（photodarkening）、およびポンプ／信号ノイズスペクトルがFMに与える影響を特定すること。
• ファイバ長さに沿った励起状態反転および熱生成分布の動的変化を組み込むことで、簡易モデルを改善すること。

提案手法

• ステップインデックスYbドープファイバにおけるSTRS駆動モード結合を詳細に数値的にシミュレートし、結合された熱およびモード伝搬方程式を解く。
• 横方向ホールバーニングに起因する空間的に変化する励起状態反転を考慮し、振動する熱源分布の変化を反映する。
• ステディ・サイクル的アプローチを用い、LP01モードとLP11/LP02モード間の周波数オフセットに対する利得を周波数関数として計算する。
• 有効コア半径における熱拡散時間は、FM ≈ 1/(4πD r_eff²) で与えられるベースライン推定値として用いられる。ここでDは熱拡散率である。
• ファイバの巻き込み、非対称冷却、熱レンズ効果に起因するモードプロファイル変化を、熱およびモードプロファイルへの摂動として組み込む。
• 入力信号およびポンプノイズスペクトルを周波数シフト成分としてモデル化し、実際の周波数変調効果を再現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イットルビウムドープ光ファイバアンプにおけるピークモード結合利得周波数（FM）は、有効モード断面積（A_eff）に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ2 励起状態反転における横方向ホールバーニング効果は、熱拡散推定値を下回るFMをどの程度低下させるか？
• RQ3 ファイバの巻き込みや非対称冷却は、利得ピーク周波数の位置にどのように影響するか？
• RQ4 ポンピング方式（共通ポンピング対反対ポンピング）、光吸収変化（photodarkening）、熱レンズ効果はFMにどのように影響するか？
• RQ5 実験で測定されたFM値がモデル予測と異なる場合の原因は何か。ポンプまたはシードノイズスペクトルはその役割を果たすか？

主な発見

• ピークモード結合利得周波数（FM）は、有効コア半径における熱拡散に一致し、A_effにほぼ反比例するスケーリングを示す。
• 横方向ホールバーニングにより、振動する熱源がコア中心からずれ、単純な熱拡散推定値未満のFMに低下する。
• ファイバを巻き込むことや非対称冷却を施すと、モードプロファイルが外側の曲げ側に圧縮され、有効モード断面積が減少し、結果としてFMが上昇する。
• A_eff = 4536 μm²の共通ポンピングファイバでは、モデルでFM = 325 Hzを予測したが、測定値は220 Hzであった。これは光吸収変化や1/fノイズなどの追加効果が存在する可能性を示唆している。
• A_eff = 3595 μm²の反対ポンピングファイバでは、モデルでFM = 490 Hzを予測したが、測定されたピークは350 Hzであった。これはポンプまたはシードに周波数変調やスペクトル構造が存在する可能性を示唆している。
• 39.5 μmコア径のファイバでは、モデルでFM ≈ 2420 Hzを予測したが、測定値は2000 Hzであった。ホールバーニング効果を考慮した後、良好な一致が得られた。