순방향 브릴루앙 파이버 레이저

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3554(2022) 이 기사 인용

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역방향 자극 브릴루앙 산란을 기반으로 하는 파이버 레이저는 좁은 선폭을 제공하고 신호 처리 및 감지 응용 분야에 사용됩니다. 섬유의 자극 브릴루앙 산란은 순방향으로도 발생하며 증폭 대역폭은 2배 더 좁아집니다. 그러나 전방 브릴루앙 레이저는 아직 어떤 파이버 플랫폼에서도 구현되지 않았습니다. 이 연구에서 우리는 기성품인 팬더형 편광 유지 섬유를 사용하여 최초의 순방향 브릴루앙 섬유 레이저를 보고합니다. 하나의 주축에 있는 펌프 광은 직교 편광의 동시 전파 레이저 신호에 대한 브릴루앙 증폭을 제공합니다. 피드백은 광섬유 캐비티의 양쪽 끝에 있는 브래그 격자에 의해 제공됩니다. 단일 모드, 소수 모드 및 다중 모드 작동 방식이 관찰됩니다. 레이저 임계값은 고유한 환경 민감도를 나타냅니다. 즉, 전방 브릴루앙 산란 스펙트럼이 넓어지기 때문에 섬유가 물에 부분적으로 담그면 레이저 임계값이 높아집니다. 결과는 클래딩 외부 매체의 초고간섭성과 정밀 감지 가능성을 갖춘 새로운 유형의 광섬유 레이저를 확립했습니다.

역방향 자극 브릴루앙 산란(역방향 SBS)을 기반으로 하는 파이버 레이저는 30년 이상 연구되고 사용되었습니다1,2. 섬유에서 역방향 SBS의 이득 대역폭이 약 30MHz 정도로 상대적으로 좁기 때문에 좁은 자유 스펙트럼 범위의 비교적 긴 섬유 공동에서도 단일 세로 레이저 모드를 선택할 수 있습니다. Brillouin 광섬유 레이저는 마이크로파 광자 신호 생성 및 처리3와 광섬유 자이로스코프4에 사용됩니다. 후방 SBS 레이저는 카드뮴 불화물5, 칼코게나이드 유리6, 실리카7, 실리콘8 및 실리카9의 질화규소9와 같은 마이크로 공진기 및 통합 광자 플랫폼에서도 성공적으로 시연되었습니다.

광섬유 및 도파관의 SBS는 순방향으로도 발생할 수 있습니다10,11,12,13. 두 개의 공동 전파 광파와 주로 가로인 유도 음향파 사이의 순방향 SBS 커플입니다. 역방향 메커니즘과 비교하여 순방향 SBS는 일반적으로 저주파 음향파를 포함하며 선폭은 일반적으로 더 좁아 베어 또는 폴리이미드 코팅 섬유에서 수백 kHz에 도달합니다. 좁은 이득 대역폭으로 인해 훨씬 ​​더 긴 광섬유 공동의 단일 세로 모드를 선택할 수 있습니다. 또한, 이러한 긴 섬유 공동의 광자 수명은 포논의 수명보다 훨씬 길어 펌프에 대한 레이저 선폭이 좁아질 수 있습니다2.

섬유에서 순방향 SBS 레이저를 실현하는 것은 근본적인 과제에 직면해 있습니다. 역방향 효과와 달리 단일 공간 유도 광학 모드 내에서 순방향 SBS는 연속 입력 펌프 파동의 위상 변조로 이어지며 레이저 신호의 자극 증폭을 제공하지 않습니다. 이러한 이유로 순방향 SBS 레이저는 표준 단일 모드 광섬유에서 얻기가 어렵습니다. 순방향 브릴루앙 레이징은 서로 다른 공간 모드에서 함께 전파되는 펌프와 신호 광학장 사이의 모드 간 프로세스에서 도달할 수 있습니다. 모달 간 순방향 SBS 레이저의 획기적인 시연은 부유 실리콘 멤브레인 내의 도파관에서 보고되었습니다. 이러한 장치에는 특수 제작 기능이 필요합니다. 또한 순방향 SBS 실리콘 레이저의 신호 광자 수명은 포논의 신호 광자 수명보다 짧기 때문에 현재는 광학 선폭 축소를 지원하지 않습니다. 순방향 SBS는 표준10,11,12,13, 편광 유지(PM)18 및 특수 나노 구조 및 광결정 섬유19,20,21에서 철저히 조사되었습니다. 그러나 우리가 아는 한, 순방향 SBS 레이저는 아직 어떤 파이버 플랫폼에서도 보고되지 않았습니다.

이 연구에서 우리는 최초의 순방향 SBS 광섬유 레이저를 제안하고 시연합니다. 레이저는 기성품인 팬더형 PM 섬유를 기반으로 합니다. 레이저 섬유의 길이는 30미터이며 광-기계적 상호 작용을 향상시키기 위해 보호 코팅이 벗겨져 있습니다. 레이저는 모달 간 순방향 SBS 증폭에 의해 구동됩니다. 광섬유의 한 주축을 따라 연속적인 펌프 광이 적용되고 직교 상태에서 레이저 신호가 얻어집니다. 레이저 신호에 대한 피드백은 광섬유 양쪽 끝의 광섬유 브래그 격자(FBG) 형태로 제공됩니다. PM 섬유 복굴절로 인해 비공진 펌프가 잔류 반사가 낮은 FBG를 통과하는 동안에만 레이저 신호에 피드백이 제공됩니다. 단일 유도 음향 모드, 소수의 음향 모드 또는 다중 모드 및 이들 간의 상호 혼합으로 인해 많은 신호를 포함하는 여러 가지 작동 방식이 관찰됩니다. 단일 모드 레이저 선폭은 출력 전력에 따라 감소하고 실험실 환경에서 세로 공동 모드의 열 드리프트에 의해 제한되는 수 kHz에 도달합니다. 섬유 공동 내 신호 광자의 수명은 음향파의 수명보다 10배 더 길므로 전방 Brillouin 레이저는 적절한 환경 안정화로 선폭을 좁힐 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 순방향 SBS 레이저의 임계 펌프 전력은 약 500mW입니다. 레이저의 출력 전력은 현재 캐비티 내에서 모달 내 역방향 SBS 레이저 발생의 시작으로 인해 250μW로 제한되며, 이는 완화될 수 있습니다. 개념을 확장하면 섬유 클래딩 외부의 매체에 대한 정밀 센서가 탄생할 수 있습니다. 첫 번째 예로서, 우리는 레이저 시스템에서 베어 파이버 클래딩 외부의 물이 미치는 영향을 보여줍니다. 물의 존재는 광학 공동에 영향을 미치지 않지만 순방향 SBS 이득 계수를 감소시키고 레이저 임계값을 높입니다. 주변 환경에 대한 이러한 민감성은 순방향 SBS 메커니즘의 고유한 특징입니다.