Tm 添加正常分散シリカファイバーを用いた
波長 2 𝛍𝐦帯モード同期レーザーの分散依存性評価
戸倉川研究室1. はじめに

平山貴之
分散の影響を受けるとパルス形状の変化、パルスのファイバーレーザーはその導波路構造によって広がりが起きてしまう。

小型・堅牢かつ高効率・高出力な動作が可能である

光ファイバーにおける分散は材料分散と導波路が、モード同期による超短パルス動作においては、分散にわけることができ、それらの和が波長分散と非線形光学効果によってその性能が制限され易い。

なっている。 波長分散は分散性媒質の屈折率が波共振器の分散値を制御しモード同期の状態を散逸長依存性を持つことに起因する。媒質の共鳴周波数ソリトンモード同期やストレッチモード同期とすから十分離れた周波数では、屈折率は以下のセルマることによってこの制限を緩和することが可能でイヤー方程式で表される。

ある。このとき利得ファイバーを正常分散にすると、3増幅動作中のソリトン圧縮を抑制することができ、

𝑛(𝜆)2 = 1 + ∑

さらに非線形光学効果が抑制できる。しかし波長𝑖=1𝐴𝑖 𝜆2𝜆2 − (𝑙𝑖 )2(1)

2-2 W 型屈折率による分散制御ファイバー

2µm 帯では一般的なシリカファイバーは大きな異本実験で使用した Tm ファイバーの屈折率分布

常分散を有し、利得ファイバーとして実用的なコアを図 1 に、分散曲線を図 2 に示す。一般的なステッサイズで正常分散を得ることは難しかった。
我々は W 型屈折率分布による導波路構造によっ

プインデックス型と異なり、コアの隣に屈折率のて波長 2 μmで正常分散を示すシリカガラスファイバーを用いたモード同期レーザーの開発を行いパルス幅 300 fs 程度得ることに成功していたが[1]、2021 年に我々と同様な共振器構成でありながら異常分散利得ファイバーを用いたストレッチパルス
モード同期レーザーにおいて 74 fs 以下のパルス発生が報告された[2]。我々は正常分散の利得ファイバーを利用しており、最適化によってこれを超える

図 1. W 型屈折率分布[3]超短パルス動作も期待される。そこで本研究では共矩形：デザイン、曲線：実測測値

振器中のファイバー間の融着条件や分散値の最適化のもとモード同期レーザー実験を行った。

2. 原理
2-1. 波長分散
波長分散とは、光波の位相速度が波長に依存する現象のことである。超短光パルスは多数の周波数
図 2. 各コアサイズにおける分散曲線[3]の光の位相が揃った状態で得られており、この波長1低いトレンチクラッドが存在している。コアを伝めに、波長 2 μm帯で正常分散を示す UHNA7 を融搬する際に染み出した光がここを伝搬することに着した。UHNA7 と WDM の両端には寄生発振防止

よって実効屈折率が低下するが、この染み出しはのため SMF28 を使用した APC パッチコードが融長波長になるほど大きくなるために長波長の光ほ着されている。各ファイバーの長さを調整すること

ど実効屈折率が低下し、正常分散の効果を得るこによって、分散量や非線形光学効果の大きさを制御とができる。

可能であり、今回 SMF28 の長さを調整し共振器全体の分散量を制御している。

2-3 非線形偏波回転
パルスが光ファイバー中を伝搬すると、非線形光学効果によって複屈折が誘起され直交する偏光成分に位相差が生じる。この偏光成分の変化が光強度に依存することを利用してモード同期を得るのが非線形偏波回転である。図 3 に非線形偏波回転を用いたモード同期の概念図を示す。光ファイバー中を図 4. 実験構成

伝搬した光は、光強度に依存して偏光回転が発生した状態となっている。この光を、波長板によって偏3-2. 融着条件の改良光状態を変えた後に PBS を透過させた後に共振器の光ファイバーに再結合する。この際に光強度が低共振器中の光ファイバーの各パラメータは表 1

い部分は PBS において大きな損失を生じ逆に光強となっており、コアサイズ、NA の異なるファイバ度の高い部分は PBS において低い損失を生じるよーが使用されている。コア径が異なるファイバー同うに波長板を制御することによって、モード同期動士の融着については、融着条件によって損失が大き作を得ることができる。

く変化することが知られている、融着の際の放電時間を長くするとコアからクラッドに不純物として含まれるイオンの拡散が促され、実効的にコア径が広がり融着損失を減らすことが知られている。そこ
で、各ファイバー間の融着を放電時間を増加させ複数回行い、その都度レーザー出力を測定した。この
とき NDTF と WDM 側の SMF28 の間の融着におい

図 3. 非線形偏波回転によるモード同期概念図て、融着条件によって出力が大きく揺らぎが観測された。何度か融着を行ったところ最終的に表 2 のよ

3. 実験

うな出力の変化が見られた。再融着前後で出力が3-1. モード同期レーザー実験構成30 %ほど向上したことから、融着状態の改善が為さ実験構成を図 4 に示す。共振器はリング型でありれたと考えられる。

利得ファイバーとして、前述の Tm 添加正常分散シリカファイバー(NDTF)を用いた。この NDTF を、表 1.

共振器中の各ファイバーパラメータ

SMF28Fiber~8Core size (𝛍𝐦)
0.14
N.A.
Dispersion-0.007(𝐩𝐬 𝟐 /𝐦)
1.8Length (m)波長 1.55 μmの Er:Yb fiber MOPA で、WDM を通して後方励起した。WDM は異常分散を有する SMF28で作られており、NDTF のみでは共振器全体が大きな異常分散となってしまうため、これを補正するた
2

NDTF UHNA7~5~2.4
0.24
0.41
0.02
4.4Total~ 0.124~ 0.04[4](ps 2)
3.7~ 10.0表 2. 融着前後におけるレーザー出力の励起出力依存

610 mW 励起時の 700 mW 励起のレーザー出力
レーザー出力先行研究[1]

55 mW

74 mW

融着前

50 mW

66 mW

融着後

64 mW

87 mW
図 7. 分散値 0.048 ps 2 の時の出力波形(1 ms/div)

2

3-3. 分散値 0.124 ps 時のモード同期実験
再融着によってファイバー長が変化し、共振器の総分散量は 0.124ps2 となった。この時の出力特性は図 5 に示されスロープ効率 22 %、700mW 励起時に最大出力 87 mW を得た。

図 8. 分散値 0.048 ps 2 のスペクトルすぎてパルスが崩壊してしまったこと、共振器長が短く非線形偏光回転量が小さいことを考えた。

3-4. 分散値 0.048 ps 2 時のモード同期実験

図 5. 出力特性

正常分散量を減少させるとともに、共振器長を長くして非線形偏光回転量を大きくするために、この状態で三枚の波長板の角度を調整することで、SMF28 を追加で 1 m 融着した。表 3 に、SMF28 をモード同期発振を試みた。この時、図 6、図 7 に示追加した後の共振器の各パラメータを示す。

される時間波形が計測された。また、その時のスペクトルを図 8 に示す。図 6 に示されるように短時間

表 3.

での不安定なパルス発振を得ることができたもの

SMF28 追加後の各ファイバーパラメータ

FiberDispersion(𝐩𝐬 𝟐 /𝐦)Length (m)の、図 7 のようにロングスパンでみると不安定な挙動となっており、安定したモード同期を得られたと

SMF28

NDTF

UHNA7-0.007

0.02~ 0.04[4]

2.8

4.4

3.7

Total~ 0.048(ps 2)~ 11.0は言えない。また、スペクトルを見ると二波長の成分が見えていることからこれらの波長のビートのこの時の出力特性は図 9 のようである。取り出しようなものが見えていたものと考えた。モード同期

効率最大の状態で出力を測定し、スロープ効率を得られなかった原因として、正常分散量が大き

図 9 分散値を変化させた時の出力特性比較

図 6. 分散値 0.048 ps 2 の時の出力波形(500 ns/div)3

26 %、700 mW 励起時に最大出力 84.2 mW を得を無くし励起光を自由空間結合することによってた。この状態で波長板を調整してモード同期を試み共振器損失の低下と全分散量の低下が起こり、モた。出力の時間波形を図 10、11 に示す。また、スード同期発振の実現が期待されるが、その場合はペクトルを図 12 に示す。この時、モード同期に近自由空間結合の増加による長期動作の不安定性がい波形を得ることができたものの、数分程度で波形発生してしまうと考えられる。

が崩れてしまい長時間の安定したモード同期発振

4. まとめを得ることができなかった。また、スペクトルを見ると 0.124 ps 2の時と同様に二波長の成分が見えてW 型屈折率分布 Tm 添加正常分散シリカファイいることから、二成分のビートのようなものが見えバーを用いた波長 2 μm帯レーザーについて、融着ていると判断した。

条件の改良および分散値依存性を評価した。まず、
各種ファイバーの再融着を行い、先行研究[1]とくらべて出力が 15 %ほど増加し融着条件を改善することができた。また、共振器の分散値を変化させて、非線形偏波回転によるモード同期を試みたところ不安定なパルス発振を得ることができたものの安定したモード同期を得るには至っていない。今後は共振器の分散値および共振器長などのパラメータ

図 10 分散値 0.048 ps2 の時の出力波形(200 ns/div)を変えることによって一層のパワースケーリングおよび短パルス化を目指す。

5. 参考文献[1] 佐藤匠(2021) Tm 添加分散シリカファイバーを用いた波長 2μm 帯モード同期発振器の開発とその高出力化 電気通信大学大学院基盤理工学専攻修士
2

図 11 分散値 0.048 ps の時の出力特性(1 ms/div)

論文(未刊行)[2] Jinzhang Wang, et. al. "Generation of few-cycle
pulses from a mode-locked Tm-doped fiber laser", Opt.
Lett. Vol.46,2445-2448, 2021
[3] Yuhao Chen, et al. "Normal dispersion thulium fiber
for ultrafast near-2 μm fiber laser", CLEO 2018,
AM2M2, 2018[4] Piotr Ciąćka, et al, "Dispersion measurement of

図 12 分散値 0.048 ps 2 のスペクトル

4．考察

ultra-high numerical aperture fibers covering thulium,holmium, and erbium emission wavelengths", Journal

安定したモード同期を得られなかった要因として、利得ファイバーが外的要因に敏感であるこof the Optical Society of America B, Vol.35, 1301-1307,と、共振器の分散値および共振器長が最適でない2018ことを考え、改善策としてファイバーの保持状態の最適化、共振器の分散値を 0 分散近傍にすることによる、共振器の最適化を考えた。また WDM4