Yb 添加ファイバーを用いた 1178nm におけるレーザー発振の研究
電子工学科

植田研究室

太田淳

1.はじめにYb は、量子効率が良い、吸収スペクトルが広く励起用 LD に対する制約が大幅に緩和されるなど、多くの利点を持っていることが分かり、研究が進んできている。しかし、この Yb の長波長領域(1150nm〜)は、利得が小さくレーザー発振が難しいので、この領域でレーザー発振を実現したという報告は少ない。また、この領域内の 1178nm の2 倍波である 589nm はナトリウムの D 線と一致し、レーザーガイドスターに利用できる。そこで本研
究は、Yb 添加ファイバーを用いて、1178nm においてレーザー発振させることを目的としている。

2.Yb について
Yb3+イオンは、図 2-1 に示すような 2F5/2 と 2F7/2しかなく、ほぼ二準位系として考えることができる。そのため、励起波長やレーザー波長における励起状態吸収（ESA）や、2F5/2 と 2F7/2 間の大きいエネルギーギャップのため、多光子放出による非放射過程が生じない。また、Yb3+イオンは Nd3+イオン等に比べイオン半径が小さいために、高濃度添加した時に濃度消光が起きない。そのため、高濃度添加することが可能でファイバー長を短くする こ と が で き る 。 Yb3+ イ オ ン の 上 準 位 寿 命 は0.95ms 程度と長く、高いエネルギー蓄積効果が期待できる。これらのことから、Yb3+イオンの量子欠損が少ないことが分かる。さらに、図 2-2 から分かるように吸収スペクトル幅が広く、励起用 LDに対する制約が大幅に緩和されるという利点もある。以上のことから、Yb3+イオンをレーザー媒質として利用することにより、高効率でレーザー発振することが可能である。しかし、Yb3+イオンは再吸収があり、この再吸収は励起が弱くなると強くなるので、強励起が必要である。[1]cm-1g 11630
2F5f 11000
2e 10260d 1460
2F7c 1060
2b 600a 0

図 2-1

Yb3+のエネルギー準位図

図 2-2

Yb3+の吸収、放出断面積

3 シミュレーション
本実験をするにあたって、小信号利得シミュレーション、ファイバー最適長シミュレーションを行った。
使用する各パラメーターを表 3-1 に示す。
表 3-1 Yb 添加ファイバーの各パラメーター
Parameter3+

Yb イオン濃度

Symbol-3N[m ]Specification
9.5×1025

コア径

[μm]

コア断面積

Acore[m ]2

1.96×10

モードフィールド径@1060nm[μm]

5.5±0.5

カットオフ波長[nm]960±70

クラッド径

[μm]

125±3

クラッド断面積

Aclad[m ]21.12×10

コア開口数5.0-110.15

クラッド形状-8八角形

クラッド開口数

0.46-34

プランク定数h[J・s]

6.63×10励起光周波数νp [Hz]3.08×1014

レーザー光周波数νl [Hz]2.55×1014

量子効率

φp1.0

蛍光寿命

τ[s]

1.0×10

励起光吸収断面積＠975nm

σap[m ]

＠1030nm＠1090nmレーザー光
＠1120nm
吸収断面積＠1153.5nm
＠1178nm励起光放出断面積＠975nm
＠1030nm＠1090nmレーザー光
＠1120nm
放出断面積＠1153.5nm
＠1178nm
励起光のコアに占める割合
レーザー光のコアに占める割合
励起光ファイバー伝送損失
レーザー光ファイバー伝送損失σal[m ]
2σal[m ]2σal[m ]2σal[m ]2σal[m ]2σep[m ]2σel[m ]2σel[m ]2σel[m ]2σel[m ]2σel[m ]ΓpΓllp[dB/m]ll[dB/m]

1-322.5×10-24

24.6×10-28
2.0×10-295.0×10-292.0×10-29
1.0×10-24
2.5×10-25
5.5×10-25
2.7×10-25
2.0×10-25
1.0×10-26
2.0×10-3
1.75×100.75-37.2×10-3
7.5×10-26

3.1 小信号利得シミュレーション
入射光が弱く、飽和していないときの利得定数を小信号利得定数といい、本研究では、小信号利得についてシミュレーションする。本シミュレー
ションでは簡単化するために、定常状態で考える。
ファイバーのコアの断面積とクラッドの断面積比、励起飽和パワーをそれぞれ

Acore
Aclad

Ps =

A core hνpappとするとファイバーの長さ z における励起光パワーは、
 P (z )  Pp (z )− Pp (0 )+
= − Nx σap zln  p
()0PPpsから導くことができる。吸収パワーをh νp A, γep = Γｐσep Pp
h νp Aσal (Pl + + Pl − )σel (Pl + + Pl − )γal = Γl, γel = Γlh νl Ah νl AN2 =γap + γalN
1γap + γep + γal + γel +τ= − Γp {σap (N − N 2 ) − σep N 2 }Pp − lpPpdz
dPl ±= ± Γl {σelN 2 − σal (N − N 2 )}Pl ± − llPl ±dz
dPp

Pa = Pp (0)−Pp (l)[とすると、利得のデシベル表示は

 (xσep + xσap )φp τPaG( dB ) = 4.34 − N σall
A core h νp]

また境界条件は、と表すことができ、この式から小信号利得を求める。本シミュレーションでは、波長 1030nm、1090nm、1120nm、1153,5nm、1178nm、入力パ
ワー1W の時のシミュレーションを行う。シミュ
レーション結果を図 3.1-1 に示す。図 3.1-1 から、
波長 1178nm の利得とその他の波長の利得の差は、ファイバー長が 15m のところまで増加していきその後一定になっていることが分かる」。よって、ファイバー長が長すぎないほうが 1178nm で発振しやすいと考えられる。
109 0n m

300
gain@dBD

σap Ppよってレート方程式と励起光パワーの変化、レーザー光パワーの変化はそれぞれ以下の式で表すことができる。

(xσ + xσ )φτep

γap = Γｐ

11 20 nm

200Pp = Pp0

Pl+ = 0.04× Pl−(z = 0の時)Pl− = Pl+(z = zの時)となり、この境界条件からレート方程式を解く。
入力パワー10W の時のシミュレーション結果を図3.2-1 に示す。このシミュレーション結果から、
1178nm におけるレーザー発振のファイバー最適長は 12m となる。[2]87output power[W]x=

吸収確率をγal、レーザー光放出確率をγel、とするとそれぞれ以下の式で表すことができる。

65432100115 3.5 nm

10051015202530fiber length[m]10 30 nm

図 3.2-1

ファイバー長−出力パワー特性

11 78 nm00

図 3.1-1

5101520fiber length @mD

254 実験
4.1 実験 1（片端面 FBG 共振器）

30

ファイバー長−利得特性

図 4.1-1 に実験装置図を示す。励起光源としてファイバーカップル LD（浜松ホトニクス社製）を使用した。
このファイバーカップル LD の特性は、ピーク波長 973.6nm、最大出力パワー22W である。
使 用 し た Yb 添 加 ダ ブ ル ク ラ ッ ド フ ァ イ バ ー（Yb-DCF）（NUFERN 社製 SM-YDF-5/125）の各パラメーターは、表 3-1 に示した。

3.2 ファイバー最適長シミュレーション
Yb3+イオンは 2 準位イオンなので、Yb 添加ファイバーレーザーは 2 準位レーザーとして考えることができる。そこで、2 準位レーザーのレート方程式を示す。レート方程式を解く際に、各パラメーターは表 3-1 に示した値を使用する。励起光吸収確率をγap、励起光放出確率をγep、レーザー光2

4.2 実験 2（側面励起両端面 FBG 共振器）

output

図 4.2-1 に実験装置図を示す。使用した LD は実験 1 と同様で、LD にカップルするファイバーは 100μm ファイバーを使用した。Yb-DCF は実験 1 と同様である。側面励起するために、マルチモード励起カプラー(OFS 社製)を使用した。FBG（波長1178nm、HR と 1%OC）を融着し、共振器を構成した。また端面でのフレネル反射を防ぐために、8°カットとインデックスマッチングオイルを使用した。

index
matchingoil

Yb-DCF

f=8FBGHR

f=4.5
1.0μm<λ反射

図 4.1-1

実験装置 1（片端面 FBG 共振器）

100μm fiber

図 4.1-1 の実験装置において、Yb-DCF の片端面にFBG（1120nmHR、1153.5nmHR、1178nmHR）を融着した時と、何も融着しない時、それぞれの場合について出射光のスペクトルとパワーを測定した。Yb-DCF との融着損失を測定したところ、約 5%であった。また、FBG を融着した時は、FBGで選択した波長以外の波長が FBG の先の端面でフレネル反射されるのを防ぐために、インデックスマッチングオイルを付けて測定した。以上のことを、Yb-DCF の長さを 30m、9m、4.5m と変えていき、それぞれの場合について測定した.
実験 1 の結果 1178nm においてレーザー発振させることはできなかった。ファイバー長 9m、FBG（1178nm,HR）融着時のレーザー発振スペクトルを図 4.1-2 に示す。また各ファイバー長、FBG に
お け る レ ー ザ ー 発 振 波 長 を 表 4.1-1 に 示 す 。

coupled LD
f=8
f=8index
matching oil

FBG
HR4.5m
Yb-DCF

multi mode
pump coupler

FBG 8° output
1%OC

図 4.2-1 実験装置 2（側面励起両端面 FBG 共振器）
ファイバー長 4.5m、入力パワー1.04W におけるレーザー発振スペクトルを図 4.2-2 に示す。1178nmでレーザー発振したが、ASE が非常に大きく、ASEよりも光強度が約 10dB 小さい値となった。
0-10intensity[dB]0intensity[dB]-10-20-30-40-20-30-40-50-50-60-60-70-80-80
950-70-90-100950

1000

1050

1100

1150

1200

1250

wavelength[nm]10001050

110011501200

図 4.2-21250

レーザー発振スペクトル

wavelength[nm]図 4.1-2
表 4.1-1

4.3 実験 3（両端面 FBG 共振器）

レーザー発振スペクトル

図 4.3-1 に実験装置図を示す。実験装置は、実験 1 と同様である。ここで使用した Yb-DCF は、入射面側に直接 FBG（波長 1178nm、13%OC）が焼き付けてある。FBG（波長 1178nm、HR）を融着し、共振器を構成した。また、端面でのフレネル反射を防ぐために、両端面は 8°カットしてある。

各ファイバー長、FBG におけるレーザー発振波長FBG
ファ
イバー長4.5m9m30m

FBG
なし
1060nm〜1080nm1090nm1100nm

FBG(1120nm)

1120nm1120nm1120nm

FBG(1153.5nm)

FBG(1178nm)

1040nm〜1080nm1080nm1100nm1050nm〜1080nm1080nm1100nm3

おいてレーザー発振することができた。これは、小信号利得シミュレーションで示したように、Ybの 長 波 長 領 域 (1150nm 〜 ) の 利 得 は 1030nm 〜1100nm の利得に比べて非常に小さいので、共振器の Q 値を高くしないとレーザー発振できないためである。しかし、実験 2 では 1178nm においてレーザー発振したが ASE よりも光強度が小さく、これは融着損失が大きく影響したためであると考えられる。そこで、Yb-DCF と HI1060 ファイバーの融着損失を測定したところ約 5%の融着損失があった。実験 2 では Yb-DCF の両端面を融着しており、実験装置全体で 3 ヶ所の融着部分があるので、各融着部分の融着損失を 5%とすると、共振器を 1 往復すると約 26.5%の損失が生じることになる。そこで、実験 3（両端面 FBG 共振器）で融着損失が小さくなるように直接 FBG を焼き付けた
Yb-DCF を使用した時は、ASE よりも 1178nm レーザー発振の方が十分大きな光強度となった。この結果からも、1178nm においてレーザー発振させるためには共振器の Q 値を高くしなければならないことが分かる。ファイバー最適長シミュレーションの結果と実験結果が異なったのは、本シミュレーションは ASE を考慮に入れておらず、ASEの影響が大きかったためであると考えられる。

output3.2m
Yb-DCF

8 ° FBG
200 μm fiber
coupled LD13%OC
f=8FBG
HR

8°

f=4.5
1.0 μm< λ反射

図 4.3-1

実験装置 3（両端面 FBG 共振器）

intensity[dB]

ファイバー長 4.5m、入力パワー9.6W の時のレーザー発振スペクトルを図 4.3-2 に示す。1178nm でレーザー発振し、ASE よりも光強度が約 30dB 大きな値となった。またファイバー長 4.5m の時の入力パワー−出力パワー特性を図 4.3-3 に示す。
入力パワー9.6W の時、レーザー出力パワーは510mW であった。全出力パワーとレーザー出力パワーを比較すると、同程度であることが分かる
0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100
950

6.今後の展望
1000

1050

1100

1150

12001250wavelength[nm]図 4.3-2

レーザー発振スペクトル600

output power[W]500400
total power

300

laser power

200100

まず、本研究において小信号利得シミュレーシ
ョン、ファイバー最適長シミュレーションを行ったが、どちらのシミュレーションにおいても ASEを考慮していないので、ASE を考慮したシミュレーションを行う必要がある。また、出力パワーのファイバー長依存性を測定する。1178nm において損失が少なく、ASE にとって損失の大きな共振器を構成し、1178nm で高効率発振させる。この方法の 1 つとして、普通の FBG よりも回折格子周期が長くある波長のみで透過損失を与える、長周期ファイバーグレーティングを使用する方法がある。

002

468

参考文献

10input power[W]図 4.3-3

1.H.M.Pask,RobertJ.Carman,DavidC.Hanna,AnneC.Tropper,

入力パワー−出力パワー特性

ColinJ.Mackechnie,PaulR.Barber,andJudithM.Dawes, ”YtterbiumDoped Silica Fiber Lasers: Versatile Sources for the 1-1.2µm

5.考察

Region, ”IEEE J .Select.Topics Quantum Electron,vol1,pp.2-13,

片端面に FBG を融着した実験 1（片端面 FBG 共振器）では、1178nm においてレーザー発振することはできなかった。しかし、マルチモード励起カップラーを使用し FBG を両端面につけた実験 2（側面励起両端面 FBG 共振器）では、1178nm に1995.
2.Ido Kelson and Amos Hardy,”Optimization of Strongly Pumped
Fiber Lasers,”J.Lightwave Technology,vol.17,pp.891-897,1999.

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