特許 6965351 低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するためのレーザ送信器および方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6965351

(24)【登録日】2021年10月22日

(45)【発行日】2021年11月10日

(54)【発明の名称】低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するためのレーザ送信器および方法

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/10 20060101AFI20211028BHJP

【ＦＩ】

   H01S3/10 Z

【請求項の数】20

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-531995(P2019-531995)

(86)(22)【出願日】2017年8月1日

(65)【公表番号】特表2020-502799(P2020-502799A)

(43)【公表日】2020年1月23日

(86)【国際出願番号】US2017044977

(87)【国際公開番号】WO2018111351

(87)【国際公開日】20180621

【審査請求日】2019年7月23日

(31)【優先権主張番号】15/380,056

(32)【優先日】2016年12月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】ディ テオドロ，ファビオ

【審査官】 小濱 健太

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１５−５０３８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１５−５０９０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０６５８０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ３／００−３／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ送信器であって、
連続波形を含むシード信号を生成するように構成されている、シード信号発生器と、
前記シード信号に基づいて、フラットトップパルス信号を生成するように構成されている、振幅変調器と、
前記フラットトップパルス信号に基づいて、レーザ出力信号を生成するように構成されている、電力増幅器と、を含み、
前記シード信号発生器、前記前記振幅変調器、および前記電力増幅器は、オープンループに接続されており、
前記レーザ送信器は、前記前記振幅変調器によって生成される前記レーザ出力信号の自己位相変調を低減するように構成されている、
レーザ送信器。

【請求項2】

前記フラットトップパルス信号は、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９０％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項１に記載のレーザ送信器。

【請求項3】

前記フラットトップパルス信号は、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９９％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項１に記載のレーザ送信器。

【請求項4】

レーザ出力信号を生成するための方法であって、
連続波形を含むシード信号を生成するステップと、
前記シード信号に基づいて、フラットトップパルス信号を生成するステップと、
前記フラットトップパルス信号に基づいて、レーザ出力信号を生成するステップと、
を含み、
前記レーザ出力信号は、オープンループにより生成され、かつ、
前記方法は、前記レーザ出力信号の自己位相変調を低減する、
方法。

【請求項5】

前記シード信号に基づいて、前記フラットトップパルス信号を生成するステップは、
前記シード信号の振幅を変調するステップ、を含む、
請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記フラットトップパルス信号に基づいて、前記レーザ出力信号を生成するステップは、
前記フラットトップパルス信号を増幅するステップ、を含む、
請求項４に記載の方法。

【請求項7】

前記フラットトップパルス信号は、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９０％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項４に記載の方法。

【請求項8】

前記フラットトップパルス信号は、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９９％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項４に記載の方法。

【請求項9】

レーザ送信器であって、
連続波形を含むシード信号を生成するように構成されている、シード信号発生器と、
複数の振幅変調器であり、各振幅変調器は、フラットトップパルス信号を生成するために、入力信号の振幅を変調するように構成されており、
前記振幅変調器は、第１フラットトップパルス信号を生成するために、前記シード信号の振幅を変調するように構成された、第１振幅変調器を含む、複数の振幅変調器と、
複数の電力増幅器であり、各電力増幅器は、前記振幅変調器のうち１つに対応しており、かつ、増幅信号を生成するために、前記対応する振幅変調器によって生成された前記フラットトップパルス信号を増幅するように構成されており、
前記電力増幅器のサブセットそれぞれは、後続の振幅変調器に対する前記入力信号として前記増幅信号を提供するように構成されている、複数の電力増幅器と、
を含み、
前記シード信号発生器、前記前記振幅変調器、および前記電力増幅器は、オープンループに接続されており、
前記レーザ送信器は、前記前記振幅変調器によって生成されるレーザ出力信号の自己位相変調を低減するように構成されている、
レーザ送信器。

【請求項10】

前記電力増幅器のうち最終のものが、レーザ出力信号として前記増幅信号を提供するように構成されている、
請求項９に記載のレーザ送信器。

【請求項11】

前記レーザ送信器は、さらに、出力電力増幅器を含み、
前記電力増幅器のうちの最終のものが、前記出力電力増幅器のための入力信号として前記増幅信号を提供するように構成されており、かつ、
前記出力電力増幅器は、前記電力増幅器のうちの最終のものによって提供された前記増幅信号に基づいて、レーザ出力信号を生成するように構成されている、
請求項９に記載のレーザ送信器。

【請求項12】

前記フラットトップパルス信号のそれぞれは、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９０％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項９に記載のレーザ送信器。

【請求項13】

前記フラットトップパルス信号のそれぞれは、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９９％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項９に記載のレーザ送信器。

【請求項14】

レーザ出力信号を生成するための方法であって、
連続波形を含むシード信号を生成するステップと、
複数のフラットトップパルス信号を生成するステップであり、第１フラットトップパルス信号が前記シード信号に基づいて生成される、ステップと、
前記フラットトップパルス信号のそれぞれについて、増幅信号を生成するステップと、
前記フラットトップパルス信号のうち最終のものに基づいて、前記レーザ出力信号を生成するステップと、
を含み、
前記レーザ出力信号は、オープンループにより生成され、かつ、
前記方法は、前記レーザ出力信号の自己位相変調を低減する、
方法。

【請求項15】

前記複数のフラットトップパルス信号を生成するステップは、
複数の振幅変調器のそれぞれについて、前記振幅変調器に対する入力信号の振幅を変調するステップ、を含む、
請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記増幅信号を生成するステップは、
複数の電力増幅器のそれぞれについて、対応する振幅変調器によって生成されたフラットトップパルス信号を増幅するステップ、を含む、
請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記フラットトップパルス信号のうち最終のものに基づいて、前記レーザ出力信号を生成するステップは、
前記フラットトップパルス信号のうち前記最終のものを増幅するステップ、を含む、
請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記フラットトップパルス信号のうち最終のものに基づいて、前記レーザ出力信号を生成するステップは、
最終増幅信号を生成するために、前記フラットトップパルス信号のうち前記最終のものを増幅するステップ、および、
前記レーザ出力信号を生成するために、前記最終増幅信号を増幅するステップ、
を含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項19】

前記フラットトップパルス信号のそれぞれは、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９０％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項１４に記載の方法。

【請求項20】

前記フラットトップパルス信号のそれぞれは、複数のパルスを含み、かつ、
前記パルスのそれぞれは、前記パルスの９９％以上について振幅変化を伴わない時間プロファイルを有する、
請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般的には、レーザシステムに関する。そして、より特定的には、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するためのレーザ送信器および方法に関する。

【背景技術】

【0002】

コヒーレントなレーザ検出および測距(laser detection and ranging、LADAR)のアプリケーションは、高パルスエネルギー／ピークパワー（high pulse energy／peak power）、良好な空間ビーム品質、および長いパルスコヒーレンス時間、を含む多くの要求を満たすために、光送信器（optical transmitters）としてレーザ源を使用している。これらの送信器は、しばしば、そのコンパクトで／頑丈なアーキテクチャ、フレキシブルなパルス波形生成に対するサポート、および、高い電気−光効率により、ファイバレーザ（fiber lasers）を用いて実装されている。しかしながら、ファイバレーザの長く、かつ、小さいガイドコア（guiding core）は、比較的に低いピークパワーでの光学カー効果（optical Kerr effect）といった問題を結果として生じる。この寄生的な、非線形効果は、自己位相変調（self-phase modulation）として自分自身が現れる。つまり、パルス内（intra-pulse）、光位相における時間依存性シフト（time-dependent shift）であり、パルスコヒーレンス時間を減少させ、それによってコヒーレントなLADARを妨害している。

【発明の概要】

【0003】

本開示は、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するためのレーザ送信器および方法を提供する。

【0004】

第１態様においては、シード信号発生器、振幅変調器、および電力増幅器を含むレーザ送信器が提供される。シード信号発生器は、連続波形を有するシード信号を生成するように構成されている。振幅変調器は、シード信号に基づいてフラットトップパルス信号を生成するように構成されている。電力増幅器は、フラットトップパルス信号に基づいてレーザ出力信号を生成するように構成されている。

【0005】

第２態様においては、連続波形を有するシード信号を生成するステップを含む、レーザ出力信号を生成するための方法が提供される。シード信号に基づいて、フラットトップパルス信号が生成される。フラットトップパルス信号に基づいて、レーザ出力信号が生成される。

【0006】

第３態様においては、シード信号発生器、複数の振幅変調器、および複数の電力増幅器を含むレーザ送信器が提供される。シード信号発生器は、連続波形を含むシード信号を生成するように構成されている。振幅変調器それぞれは、フラットトップパルス信号を生成するために、入力信号の振幅を変調するように構成されている。振幅変調器は、第１フラットトップパルス信号を生成するために、シード信号の振幅を変調するように構成された第１振幅変調器を含む。電力増幅器それぞれは、振幅変調器のうち１つに対応しており、かつ、増幅信号を生成するために、対応する振幅変調器によって生成されたフラットトップパルス信号を増幅するように構成されている。電力増幅器のサブセットそれぞれは、後続の振幅変調器に対する入力信号として増幅信号を提供するように構成されている。

【0007】

第４態様においては、連続波形を含むシード信号を生成するステップを含む、レーザ出力信号を生成するための方法が提供される。複数のフラットトップパルス信号が生成される。シード信号に基づいて、第１フラットトップパルス信号が生成される。フラットトップパルス信号のそれぞれについて、増幅信号が生成される。フラットトップパルス信号のうち最終のものに基づいて、レーザ出力信号が生成される。

【0008】

他の技術的特徴は、以降の図面、明細書、および請求項から、当業者に対して容易に明らかであり得る。

【図面の簡単な説明】

【0009】

本開示及びその特徴のより完全な理解のために、これから、添付の図面と共に以下の説明に対する参照が成される。

【図1】図１は、本開示に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するためのレーザ送信器を示している。

【図2】図２は、本開示の別の実施形態に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するためのレーザ送信器を示している。

【図3A】図３Ａは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項（interference term）のグラフを示している。

【図3B】図３Ｂは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項のグラフを示している。

【図3C】図３Ｃは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項のグラフを示している。

【図3D】図３Ｄは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項のグラフを示している。

【図3E】図３Ｅは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項のグラフを示している。

【図3F】図３Ｆは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項のグラフを示している。

【図4】図４は、本開示に従って、図１または図２のレーザ送信器を含むLADARシステムを示している。

【図5】図５は、本開示に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するための方法を示している。

【図6】図６は、本開示の別の実施形態に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号を生成するための方法を示している。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に説明される図1から図6、および、この特許文献において本発明の原理を説明するために使用される種々の実施形態は、単に例示としてものであり、そして、いかなる方法においても本発明の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者であれば、本発明の原理が、任意のタイプの好適に構成された装置またはシステムにおいて実施され得ることを理解するだろう。

【0011】

固体レーザ（solid-state laser）は自己位相変調の対象になり、それは、レーザパルスのコヒーレンス時間を低減し、結果として望ましくないスペクトル拡がり（spectral broadening）を生じる。短いコヒーレンス時間はコヒーレント検出（coherent-detection）LADARを特に妨害し、そして、広いスペクトルはスペクトル選択性を一般に低下させる。従って、自己位相変調は、固体レーザにおいて達成可能なピークパワーを実効的に制限し、その結果、これらのレーザは、LADARまたは他のリモートセンシングアプリケーションについて使用できないことがあり得る。

【0012】

固体レーザにおける自己位相変調の軽減に対する直接的なアプローチは、レーザ媒体の中で光ビーム断面積（optical beam cross-sectional area）を最大にすることであった。ビーム面積が増加するにつれて、所与のパルスパワー（pulse power）に対する光強度が低くなる。次に、より低い光強度は、自己位相変調が入り込むパルスパワーを比例的に上昇させる。ファイバレーザにおいて、このアプローチは、ますます大きなガイドコアのファイバを使用することを必要とする。しかしながら、レーザ媒体におけるビームサイズは任意のものではないが、ビーム品質の最大化を含むいくつかの同時発生する制約を満足する必要がある。ビームサイズを増加させることは、空間ビーム品質（spatial beam quality）の損失及び／又は効率の損失を導き得る。ファイバレーザにおいては、コアがより大きくなるにつれて、単一横モード動作（single-transverse mode operation）を確保することが、より難しくなる。大コアのファイバ（large-core fibers）における高次横モードの残留ガイダンス（residual guidance）は、そうしたファイバを周囲からの熱−機械的な摂動に対してより敏感にし(すなわち、頑丈さがより少ない)、そして、空間ビーム品質および指向（pointing）を潜在的に劣化させ、従って、LADARアプリケーションといった、特定の用途におけるより高いパルスパワーの利点を相殺している。

【0013】

自己位相変調の軽減に対する別のアプローチは、自己位相変調によって引き起こされる位相シフトが、時間に関してパルス振幅の導関数に比例するという事実に依存している。パルス中の光位相をカウンタシフト（counter-shift）するために、従って、光位相変調器を使用することができ、そうして、自己位相変調が入り込む際に、パルスの最中の正味の位相変動（net phase variation）が最小化される。このアプローチは、各レーザ出力パルスの時間プロファイルを検出すること、および、補正信号（correction signal）を抽出するためにこのデータを使用することを必要とする。補正信号は、連続するパルスが自己位相変調フリーであることを確実にするために、位相変調器が、次いで、使用するものである(すなわち、フィードフォワード能動ループ)。

【0014】

しかしながら、ピークパワーが増加するにつれて、自己位相変調はより速くなり、そして、従って、複雑性およびこのフィードフォワードループを駆動するために必要とされる信号帯域幅が、急速に管理不可能になり得る。加えて、LADARシステムは、しばしば、LADARシステムが配備されるプラットフォームについて、厳しいサイズ、重量、および電力(SWaP)の制約を有している。結果として、大コアのファイバのためのフィードフォワードループを実施するために使用される、だんだんと複雑なコンポーネントに関連する追加的なSWaPの要求は、多くのアプリケーションについて、このアプローチを使用できないものにしてしまうことがある。

【0015】

図1は、本開示に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号102を生成するためのレーザ送信器100を示している。図1に示されるレーザ送信器100の実施形態は、単なる例示のためのものである。レーザ送信器100の他の実施形態が、本開示の範囲から逸脱することなく、使用され得るだろう。

【0016】

図1に示すように、レーザ送信器100は、主発振器出力増幅器（master oscillator/power amplifier、MOPA）コンフィグレーションの中に実装されている。この実施形態について、レーザ送信器100は、シード信号発生器104、電気光学振幅変調器106、および電力増幅器（PA）108を含んでいる。この実施例におけるシード信号発生器104は、ドライバ110、主発振器（master oscillator、MO）112、およびプリアンプ（preamplifier）114を含んでいる。

【0017】

ドライバ110は、主発振器112を駆動および制御するように構成されている。主発振器112は、ドライバ110からの入力に基づいて出力信号を生成するように構成されている。従って、主発振器112の出力波形は、ドライバ110から受信した入力に基づいて決定され得る。例えば、主発振器112の出力は、連続波形を含み得る。主発振器112の出力は、プリアンプ114に対して提供される。プリアンプは、シード信号116を生成するために、その出力を増幅するように構成されている。

【0018】

ドライバ110は、シード信号発生器104の出力を駆動し、かつ、制御するための任意の適切な構造を含んでよい。主発振器112は、連続波、単一周波数ダイオードレーザといった、連続波光信号（continuous-wave optical signal）を生成するための任意の適切な構造を含んでいる。プリアンプは、光信号を増幅するための任意の適切な構造を含んでいる。

【0019】

振幅変調器106は、シード信号発生器104からシード信号116を受信し、そして、シード信号116に基づいてフラットトップパルス信号118を生成するように構成されている。ここにおいて使用されるように、「フラットトップパルス（”flat-top pulse”）」は、以下の図3Cにおいて説明される実施例といった、フラットトップな時間プロファイルを有しているパルスを意味する。従って、フラットトップパルスは、パルスの既定部分（predefined portion）の最中には振幅変化がない時間プロファイルを有しているパルスであり、既定部分は、レーザ送信器100が実装されるアプリケーションに基づいて決定されている。例えば、特定の実施形態について、既定部分は、パルスの９０％より大きくてよい。他の実施形態について、既定部分は、パルスの９９％より大きくてよい。いくつかの実施形態について、振幅変調器106は、チョッパ（chopper）として動作することによって、フラットトップパルス信号118を生成するように構成されてよく、フラットトップパルス信号を生成するために、交互に、シード信号116の光をブロックし、そして、規則的な間隔で光を通過させている。

【0020】

振幅変調器106は、ニオブ酸リチウム（lithium-niobate）、ファイバ結合（fiber-coupled）マッハ−ツェンダ変調器（Mach-Zehnder modulator、MZM）といった、シード信号116の振幅を変調するための任意の適切な構造を含んでいる。例えば、市販されているMZMは、上昇／下降時間（rise/fall times）が100ピコ秒より小さいパルスを生成することができる。多くのコヒーレントなLADARアプリケーションにおいて使用されるパルスは、例えば、典型的に数ナノ秒の長さなので、MZM生成パルスは、それらの持続時間の９０％以上にわたりフラットであり得る。自己位相変調によって生じる光位相変動が時間に関するパルス形状関数の導関数に比例するので、パルスパワーにかかわらず、パルスのフラット部分の最中には位相シフトが存在しない。位相シフトは、次いで、パルスの立ち上がり及び立ち下がりエッジに限定され、それは全パルスエネルギーのほんの一部を含むだけである。

【0021】

電力増幅器108は、フラットトップパルス信号118を増幅することによって、振幅変調器106から受信したフラットトップパルス信号118に基づいて、コヒーレントなレーザ出力信号102を生成するように構成されている。従って、レーザ出力信号102は、フラットトップパルス信号118に比べて、より高い振幅のパルスを有する。電力増幅器108は、光信号を増幅するための任意の適切な構造を含んでいる。例を挙げるだけでも、通常の希土類ドープ（rare-earth doped）ファイバ、セミガイド高アスペクト比コア（semi-guiding high-aspect-ratio core、SHARC）ファイバまたは微細構造ファイバといった特殊ファイバ、希土類ドープ平面導波路（planar waveguide、PWG）、または、希土類ドープバルク(非導波（non-wave-guided）)結晶、といったものである。電力増幅器108は、興味ある特定のアプリケーションに従った、ピークパワーおよびアベレージパワーを生成するための能力を有している。特定の例として、電力増幅器108は、ファイバ増幅器を使用して実装することができ、高効率、良好なビーム品質、および所望のSWaP特性を有している。

【0022】

自己位相変調に関連する位相シフトは、レーザ送信器100によって生成されたパルスの振幅プロファイルを模倣（mimic）するので、振幅変化が存在しないため、フラットトップパルスのフラットトップ部分の最中に位相シフトが生じない。従って、レーザ送信器100によって生成されるパルスは、非常に速い立ち上がり及び立ち下がり時間を示し、パルス持続時間の大部分の最中にパルスプロファイルがフラットに保たれているので、レーザ送信器100によって生成されるレーザ出力信号102は、最小の自己位相変調を含んでいる。従って、ファイバレーザによって生成されるパルスのパワーは、自己位相変調によって引き起こされるコヒーレンス劣化を受けることなく、著しくスケールアップされ得る。従って、コヒーレントなLADARおよび他の適切なアプリケーションのための光送信器において使用されるファイバの能力を改善している。

【0023】

このようにして、LADARおよび他のアプリケーションのためのファイバ技術(例えば、良好なビーム品質および頑丈さ)の利点は、位相検出および補正を含む大コアのファイバまたは広帯域フィードフォワード／フィードバックループを要求することなく維持され得る。しかしながら、レーザ送信器100は、また、他のアプローチとも適合可能である。例えば、望むのであれば、レーザ送信器100は、コヒーレンスの劣化を伴わずにファイバ−レーザパルスパワーをさらにスケールアップするために、大コアのファイバ及び／又は上述の位相補正スキーム（phase-correction schemes）と組み合わせて使用することができる。

【0024】

図1は、レーザ送信器100の一つの例を示しており、図1の実施形態に対しては種々の変更が成され得る。例えば、レーザ送信器100の様々なコンポーネントは、組み合わされ、さらに細分され、移動させ、または、省略されてよく、そして、特定のニーズに応じて、追加的なコンポーネントが追加されてよい。具体的な例として、プリアンプ114は、単一のプリアンプとは対照的に、１つまたはそれ以上のプリアンプを表すことができる。加えて、振幅変調器106は、複数の振幅変調器を表し、そして、電力増幅器108は、図2の実施形態と同様に、複数の電力増幅器を表すことができる。

【0025】

図2は、本開示の別の実施形態に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号202を生成するためのレーザ送信器200を示している。図2に示されるレーザ送信器200の実施形態は、単なる例示のためのものである。本開示の範囲から逸脱することなく、レーザ送信器200の他の実施形態を使用することができる。

【0026】

図示された実施形態について、レーザ送信器200は、シード信号発生器204、複数の電気光学（electro-optic）振幅変調器（amplitude modulator、AM）206、および、複数の電力増幅器（power amplifier、PA）208を含んでいる。シード信号発生器204は、連続波形を有するシード信号216を生成するように構成されている。いくつかの実施形態について、シード信号発生器204は、シード信号発生器104に対応し得る。従って、シード信号発生器204は、ドライバ、主発振器、および、シード信号216として増幅された連続波光信号を生成するように構成されたプリアンプを含み得る。

【0027】

この実施形態について、パルスの消滅（extinction）を生成し、そして、最終レーザ出力信号202においてパルスのコントラストをより高くするために、複数の振幅変調器206が相互に同期して使用され得る。第１振幅変調器206₁は、シード信号発生器204からシード信号216を受信し、そして、シード信号216に基づいて第１フラットトップパルス信号218₁を生成するように構成されている。第１電力増幅器208₁は、第１フラットトップパルス信号218₁を受信し、そして、第１フラットトップパルス信号218₁に基づいて第１増幅信号（amplified signal）220₁を生成するように構成されている。

【0028】

同様に、それぞれ後続の振幅変調器206_2-nは、先行の電力増幅器208から増幅信号220を受信し、そして、増幅信号220に基づいてフラットトップパルス信号218を生成するように構成されている。同様に、それぞれ後続の電力増幅器208_2-n（最終の出力電力増幅器208_o/pを除いて)は、先行の振幅変調器206からフラットトップパルス信号218を受信し、そして、フラットトップパルス信号218に基づいて増幅信号220を生成するように構成されている。出力電力増幅器208_o/pは、電力増幅器208_nから増幅信号220 _nを受信し、そして、増幅信号220 _nに基づいてレーザ出力信号202を生成するように構成されている。

【0029】

振幅変調器206_1-nは、それぞれ振幅変調器106に対応し得る。例えば、いくつかの実施形態について、振幅変調器206_1-nは、それぞれ、リチウムニオブ酸塩、ファイバ結合MZM、といった、入力信号の振幅を変調するための任意の適切な構造をそれぞれ含み得る。加えて、電力増幅器208_1-nおよび出力電力増幅器208_o/pは、電力増幅器108に対応し得る。例えば、いくつかの実施形態について、電力増幅器208_1-nおよび208_o/pは、通常の希土類ドープファイバ、SHARCファイバまたはマイクロ構造ファイバといった特殊ファイバ、希土類ドープPWG、希土類ドープバルク(非導波)結晶、または他の適切な増幅器といった、光信号を増幅するための任意の適切な構造をそれぞれ含み得る。

【0030】

図2は、レーザ送信器200の一つの例を示しているが、図2の実施形態に対して種々の変更が成され得る。例えば、レーザ送信器200の様々なコンポーネントは、組み合わされ、さらに細分され、移動させ、または、省略されてよく、そして、特定のニーズに応じて、追加的なコンポーネントが追加されてよい。具体的な例として、最終電力増幅器208 _o/pが省略されてよく、そして、n番目の電力増幅器208_nによって生成された増幅信号220_nは、レーザ出力信号202に対応し得る。加えてに、nは、２より大きいか又は等しい任意の適切な整数であり得る。

【0031】

図3A−図3Fは、本開示に従って、レーザパルスおよび干渉項（interference term）のグラフを示している。図3A−図3Fに示されるグラフ300、320、340、360、365、および380は、単なる例示のためのものである。

【0032】

レーザ増幅器における光場（optical field）は、以下のように表わされ得る。

【数1】

ここで、zはレーザ媒体に沿った位置であり、gは光学利得（optical gain）であり、Aは入力ピーク振幅でり、fは正規化されたパルスパワープロファイルであり、tは時間であり、kは伝搬定数（propagation constant）であり、ωは搬送波周波数であり、そして、φは光学位相である。加えて、光学位相は、以下のように定義され得る。

【数2】

ここで、φ_０は静的項であり、そして、φ_NLは自己位相変調量に対応する非線形項であって、以下のように表わされ得る。

【数3】

ここで、

【数4】

であり、かつ、ここで、ｎ_２は非線形屈折率係数であり、λは波長であり、Ｌは増幅器の長さであり、そして、Ｉ（ｚ）はパルスピークにおける光強度である。

【0033】

図3Aは、(変動するパルスピークパワーに対応している)変動するB値を伴うガウス振幅プロファイル（Gaussian amplitude profile）を有するパルスに対応するパルスプロファイルのグラフ300である。同じグラフ300において、各B値に対応する位相シフトの時間プロファイルも、また、プロットされている(右縦軸)。図3Bは、グラフ300に示された変動するB値を有するレーザパルスと、連続波単一周波数信号との間の干渉項のグラフ320である(「局部発振器（”local oscillator”）」として参照されるもの)。全体的な干渉関数は、以下のように表現され得る。

【数5】

ここで、ｃ_ＬＯは局部発振器定電力(パルスピークパワーに対して正規化されたもの)であり、そして、

【数6】

は、干渉項である。
ｃｏｓ［φ_０＋φ_NL（ｔ）］＝１ は、建設的（constructive）干渉であり、
ｃｏｓ［φ_０＋φ_NL（ｔ）］＝−１ は、破壊的（destructive）干渉であり、
ｃｏｓ［φ_０＋φ_NL（ｔ）］＝０ は、インコヒーレント和（incoherent sum）である。
従って、グラフ300および320に示されるように、ガウスパルスに対して、自己位相変調効果がパルス全体を通じて存在しており、パルスのコヒーレンス時間を減少させる。このことは、スペクトル拡がりを結果として生じる。一般的に、スペクトル選択性を低減し、そして、固体レーザにおいて達成可能なピークパワーを制限するものである。

【0034】

図3Cは、フラットトップパルス信号116、216に対応するパルスプロファイルのグラフ340である。この特定の実施形態について、パルスの立ち上がり時間は約100ピコ秒であり、立ち下がり時間は約100ピコ秒であって、そして、振幅変化がないフラットトップ部分は、約1ナノ秒である。図3Dは、種々のB値についてグラフ340に示されるパルスに対する自己位相変調コヒーレンス劣化に対応する干渉項のグラフ360である。従って、グラフ360に示されるように、干渉項は、グラフ340における対応するパルスのフラット部分の最中に、平坦である。自己位相変調は、パルスの立ち上がりおよび立ち下がりエッジに限定されるので、図3Eは、様々なB値に対応する干渉をより明確に示すために、グラフ360に示される立ち上がりエッジの干渉に係る拡大図を示すグラフ365である。

【0035】

最終的に、図示された実施形態について、図3Fは、種々のB値に対してグラフ300および340に示されるパルスについて正規化された干渉信号を示すグラフ380である。干渉信号は、時間に関して干渉項を積分することによって獲得され、そして、多くの実施形態で、典型的なコヒーレントLADARアプリケーションにおいて検出される信号を表わしている。上側ライン382は最大コヒーレンスを示し、一方で、ゼロライン384はインコヒーレント和を示している。従って、グラフ300のガウスパルスについて、ガウスコヒーレンスライン386は、B値の増加に関連して低下するコヒーレンスを示している。グラフ340のフラットトップパルスについて、フラットトップコヒーレンスライン388は、(ガウスコヒーレンスライン386と比較して)はるかに高く、そして、より一貫性のあるコヒーレンスを示しており、それはB値の増加に伴ってわずかに低下するだけである。従って、グラフ380に示されるように、フラットトップパルス信号116、216は、ガウスパルス波形でもっとより大きい程度で発生する自己位相変調によるコヒーレンスの劣化を著しく最小化する。

【0036】

図4は、この開示に従ったレーザ送信器404を含むセンサ402を含んでいるLADARシステム400を示している。図4に示されるLADARシステム400の実施形態は、レーザ送信器404を実装しているアプリケーションの一つの例としてだけ例示するものである。レーザ送信器404を含むLADARシステム400の他の実施形態は、この開示の範囲から逸脱することなく使用され得るだろう。いくつかの実施態様について、レーザ送信器404は、レーザ送信器100または200に対応し得る。

【0037】

フラットトップパルス波形を有するレーザ出力信号は、レーザ送信器404からポインタ／スキャン（pointer/scan）ユニット406へ提供され、出力レーザビームを所望の方向に向けることができる。例えば、ポインタ／スキャンユニット406は、航空機、車両、自転車乗り、歩行者、または、他の興味あるターゲット／オブジェクトを識別するために、ビームを用いて所与の領域をスウィープ（sweep）することができる。例えば、特定の実施形態について、LADARシステム400は、兵器システムの一部として実装されてよく、そして、ポインタ／スキャンユニット406は、破壊の対象となるオブジェクトを識別することができるだろう。別の特定の実施形態について、LADARシステム400は、自走車両（self-driving vehicle）に実装されてよく、そして、ポインタ／スキャンユニット406は、車両の操縦（maneuvering）を支援するために道路内のオブジェクトを識別することができるだろう。送信器電子機器および電源ユニット408は、出力レーザビームの発生および操作（steering）を制御するために、レーザ送信器404およびポインタ／スキャンユニット406へ電力および制御信号を提供する。

【0038】

少なくとも１つの興味あるオブジェクトから反射されたレーザ照射は、レーザ照射をスプリッタまたはステアリングミラー412に対して方向付ける、望遠鏡（telescope）410を介してセンサ402において受け取ることができる。スプリッタまたはステアリングミラー412は、レーザ照射の一部または全部をパッシブ受信器（passive receiver）414に対して配送することができる。スプリッタまたはステアリングミラー412は、また、レーザ照射を受信器／検出器アレイ418の上にフォーカスする受信器光学系416に対してレーザ照射の一部または全部を配送することもできる。パッシブ受信器414は、受動的なターゲット/オブジェクト検出に係わることができ、一方で、受信器／検出器アレイ418は、能動的または半能動的なターゲット/オブジェクト検出をサポートすることができる。

【0039】

受信器／検出器アレイ418からのデータは、適切な方法でデータをフォーマットする、データフォーマッタおよびフレームバッファ420に対して提供され得る。ディスプレイまたは自動ターゲット認識（automatic target recognition、ATR）ユニット422は、レーザ照射を使用してセンサ402によって識別された潜在的または獲得されたターゲットといった、情報を表示する。プラットフォームコンピュータ424は、オブジェクトに向かってセンサ402を方向付けるためのデータ処理、ターゲット取得、およびガイダンスコマンドといった、様々な機能をサポートすることができる。センサコントローラ426は、パッシブ受信器414または受信器／検出器アレイ418の動作といった、センサ402の様々な動作を制御することができる。

【0040】

図4は、レーザ送信器404を含むLADARシステム400の一つの例を示しているが、図4の実施形態に対して種々の変更が成され得る。例えば、ターゲット取得のためにレーザ照射を使用するように説明されているが、様々な他のアプリケーションが、レーザ照射の透過および反射されたレーザ照射の検出を使用することができる。

【0041】

図5は、本開示に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号102を生成するための方法500を示している。図5に示される方法500は、単なる例示のためのものである。低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号102は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の他の適切な方法で生成され得る。

【0042】

最初に、連続波形を有するシード信号116が生成される(ステップ502)。例えば、特定の実施形態について、シード信号発生器104が、シード信号116を生成することができる。フラットトップパルス信号118が、シード信号116に基づいて生成される(ステップ504)。例えば、特定の実施形態について、シード信号116の振幅を変調することによって、振幅変調器106が、フラットトップパルス信号118を生成することができる。レーザ出力信号102が、フラットトップパルス信号118に基づいて生成される(ステップ506)。例えば、特定の実施形態について、フラットトップパルス信号118を増幅することによって、電力増幅器108が、レーザ出力信号102を生成することができる。

【0043】

このようにして、自己位相変調は、増幅されたパルスプロファイルの検出、及び／又は、パルス情報を用いたフィードバック/フィードフォワードループを必要としないで、増幅の以前にパルスの振幅を (フラットトップ波形へと)形成することによって、補正され得る。加えて、完全にコヒーレントなパルスは、ガウスパルスで可能であろうものよりも少なくとも１桁大きいパルスエネルギーを伴って生成され得る。結果として、ファイバレーザは、レーザ送信器100といった、高出力コヒーレントレーザ送信器について使用されてよく、一方で、自己位相変調による影響が最小限である。

【0044】

図5は、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号102を生成するための方法500の一つの例を示しているが、図5に示す実施形態に対して種々の変更が成され得る。例えば、一連のステップとして示されているが、図5における種々のステップは、オーバーラップし、並列に発生し、異なる順序で発生し、または、複数回発生することができる。

【0045】

図6は、本開示の実施形態に従って、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号202を生成するための方法600を示している。図6に示される方法600は、単なる例示のためのものである。低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号202は、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の他の適切な方法で生成され得る。

【0046】

最初に、連続波形を有するシード信号216が生成される(ステップ602)。例えば、特定の実施形態について、シード信号発生器204が、シード信号216を生成することができる。第１フラットトップパルス信号218₁が、シード信号216に基づいて生成される(ステップ604)。例えば、特定の実施形態について、シード信号216の振幅を変調することによって、振幅変調器206₁が、第１フラットトップパルス信号218₁を生成することができる。第１増幅信号220₁が、第１フラットトップパルス信号218₁に基づいて生成される(ステップ606)。例えば、特定の実施形態について、第１フラットトップパルス信号218₁を増幅することによって、電力増幅器208₁が、第１増幅信号220₁を生成することができる。

【0047】

続いて、フラットトップパルス信号218が、増幅信号220に基づいて生成される(ステップ608)。例えば、特定の実施形態について、第１増幅信号220₁の振幅を変調することによって、振幅変調器206₂が、後続のフラットトップパルス信号218₂を生成することができる。後続の増幅信号220が、フラットトップパルス信号218に基づいて生成される(ステップ610)。例えば、特定の実施形態について、後続のフラットトップパルス信号218₂を増幅することによって、電力増幅器208₂が、後続の増幅信号220₂を生成することができる。

【0048】

追加の振幅変調器206が存在する場合(ステップ612)、本方法は、ステップ608および610まで戻り、そこで、後続の振幅変調器206および後続の電力増幅器208は、それぞれに、後続のフラットトップパルス信号218および後続の増幅信号220を生成する。例えば、特定の実施形態について、次に、対応する増幅信号220_2-(n-1)の振幅を変調することによって、振幅変調器206_3-nが、後続のフラットトップパルス信号218_3-nを順次に生成することができる。加えて、この特定の実施形態について、次に、対応するフラットトップパルス信号218_3-nを増幅することによって、電力増幅器208_3-nは、増幅信号220_3-nを順次に生成することができる。

【0049】

追加の振幅変調器206が存在しない場合(ステップ612)、レーザ出力信号202が、最終増幅信号220に基づいて生成される(ステップ614)。例えば、特定の実施形態について、出力電力増幅器208_o/pは、電力増幅器208_nによって生成された最終の、後続の増幅信号220 _nを増幅することによって、レーザ出力信号202を生成することができる。別の例として、電力増幅器208 _nは、レーザ出力信号202として最終の、後続の増幅信号220 _nを提供することができる。

【0050】

このようにして、自己位相変調は、増幅されたパルスプロファイルの検出、及び／又は、パルス情報を用いたフィードバック/フィードフォワードループを必要としないで、増幅の以前にパルスの振幅を (フラットトップ波形へと)形成することによって、補正され得る。加えて、完全にコヒーレントなパルスは、ガウスパルスで可能であろうものよりも少なくとも１桁大きいパルスエネルギーを伴って生成され得る。結果として、ファイバレーザは、レーザ送信器200といった、高出力コヒーレントレーザ送信器について使用されてよく、一方で、自己位相変調による影響が最小限である。

【0051】

図6は、低減された自己位相変調を有するコヒーレントなレーザ出力信号202を生成するための方法600の一つの例を示しているが、図6に示す実施形態に対して種々の変更が成され得る。例えば、一連のステップとして示されているが、図6における種々のステップは、オーバーラップし、並列に発生し、異なる順序で発生し、または、複数回発生することができる。

【0052】

修正、追加、または省略が、本開示の範囲から逸脱することなく、ここにおいて説明される装置および方法に対して成され得る。例えば、装置のコンポーネントは、一体化され、または、分離されてよい。本方法は、より多くの、より少ない、または、他のステップを含んでよい。加えて、前述のように、ステップは、任意の適切な順序において実行されてよい。

【0053】

この特許文献の全体を通じて使用されている所定の単語およびフレーズの定義を明らかにすることは有利であり得る。用語「含む（”include”および”comprise”）」、並びにその派生語は、限定のない包含を意味している。用語「または（”or”）」は、包含的であり、及び／又は（”and/or”）を意味している。フレーズ「関連した（”associated with”）」、並びにその派生語は、含むこと、中に含まれること、相互接続すること、中に含むこと、接続すること、結合すること、通信可能なこと、協働すること、インターリーブすること、隣接すること、接近すること、結び付けること、有すること、性質を有すること、関係を有すること、等を意味し得る。フレーズ「少なくとも１つの（”at least one of”）」は、アイテムのリストと共に使用される場合に、リストされたアイテムのうち１つまたはそれ以上の異なる組み合わせが使用され得ることを意味し、そして、リストにおける１つのアイテムだけが必要とされ得る。例えば、「A、B、およびCのうち少なくとも１つ（”at least one of A, B, and C”）」は、以下の組み合わせのいずれかを含む。A、B、C、AおよびB、AおよびC、BおよびC、並びに、AおよびBおよびC、である。

【0054】

この開示は、所定の実施形態および一般的に関連した方法を説明してきたが、当業者にとっては、これらの実施形態および方法の変更および並べ替えが明らかであろう。従って、種々の実施形態の上記の説明は、この開示を定義または限定するものではない。他の変更、置換、および、改変も、また、以降の請求項によって定義されるものとして、本開示の精神および範囲から逸脱することなく可能である。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図4】

【図5】

【図6】