可飽和吸収体による位相同期モード同期マルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザー
白川晃研究室 川村朋稔

はじめにり実現される超短パルスレーザーは極めて短いパルス幅と高いピークパワーを持つたファイバーレーザーは高ビーム品質であめ，高尖頭出力化のためには in-phase モーること、高利得・ 高効率であること，排熱ドの選択励振とモード同期の同時実現が求性が高いといった特徴を有し高出力 CW 光められる．

源として多様な産業で応用されている．し本研究室では，これまで Cr4 +:YAG を可かし，ファイバーレーザーは，特にパルス動飽和吸収体として用い in phase モードの選作時に非線形効果やファイバーの破壊の影択励振と Q スイッチ発振を同時実現する方響で高出力化に限界が生じる．そのため、更法を考案・実証している[2]．本研究では，なるエネルギー/パワースケーリングのた可飽和吸収体としてより応答速度の速い半めにコヒーレントビーム結合(CBC)による導 体 可 飽 和 吸 収 鏡 : Semiconductor

出力の向上が世界的な課題となっている.

Saturable Absorber Mirror(SESAM) を 使

本研究室では、空間的ビーム結合による用することで，in-phase モード選択(位相同出力向上の方法として同一ファイバー内に期)とモード同期の同時実現を初めて達成

複数のコアを配置するマルチコアフォトニした.結果として、シングルパルス動作でッ ク 結 晶 フ ァ イ バ ー Multicore Photonic

129 nJ、繰り返し周波数 42.4MHz、パルスCrystal Fiber(MC-PCF)を用いた研究を行幅 43 ps のパルスの生成に世界で初めて成っている[1]．
MC-PCF はフォトニック結晶功した.

構造により，一つ一つのコアが大面積化しつつもシングルモード伝搬させることが可MC-PCF のスーパーモード

能かつ，複数のコアを配置することにより

MC-PCF の各コアの伝搬光はコア間の距複数のレーザー光を空間的に結合すること離が近いことからエバネッセント光によっでき，出力をコア数でスケーリングするこて，近接するコアの伝搬光と結合する．このとができる．また，MC-PCF はスーパーモ結合により MC-PCF はスーパーモードとードと呼ばれる固有のモードを励振する．

呼ばれる固有のモードを励振する．スーパ

スーパーモードはコア数と同数励振され，ーモードは各コアの伝搬モードの線形結合中でも特に各コアから出力されるビームのから形成されているため，伝搬モード間の位相差が 0 である in-phase モードは高ビー相対位相差は常に一定となる．中でも全てム品質なモードを形成するため，その選択の伝搬モードが同位相である in-phase モー励振が求められる．また，モード同期法によドは遠視野領域で唯一中心に高いピークを持ち，輝度の重ね合わせが可能である．図 1，各コアに均等に電界が分布するため，その2 に本研究で使用した 7 コア MC-PCF の，ような欠点は存在しない。しかし，in-phase計算されたスーパーモードの近視野強度分モードの遠視野強度分布を比較すると 6 コ

布及び遠視野強度分布を示す．

ア MC-PCF の in-phase モードには強いサイドローブが存在するのに対して，7 コア
MC-PCF はサイドローブが抑制されるといった特徴を有する．

図 1. 7 コア規格化近視野強度分布

図 3. (a)7 コア MC-PCF，(b)6 コア MCPCF の断面図

In-phase モード選択
図 2. 7 コア規格化遠視野強度分布

in-phase モードの選択励振は高出力化において重要であるため，これまで Talbot 効

本研究で使用している Yb 添加 7 コア

果や空間フィルタリングや自己フーリエイ

MC-PCF の断面を図 3(a)に示す．また、図メージングなどを用いた研究が行われてき3(b)に 6 コア MC-PCF の断面を参考に示た[4,5]．本研究室では，可飽和吸収体を遠す．
7 コア MC-PCF のクラッド径は 16 m，視野領域に配置することで選択励振を実現

コア径は 21.2 m であり，通常のシングルしている．7 コア MC-PCF における可飽和モードファイバーではマルチモード伝搬す吸収体による in-phase モード選択の概念図るコア径である．しかし，空孔径 6.0 mm，を図 4 に示す．

空孔間隔 13.2 mm の PCF 構造を持ち，空孔間隔と空孔の比は 0.45 となることからシングルモード伝搬条件を満たす[3]．また
Yb 添加濃度は 3000 ppm である．

図 4. 各スーパーモードの透過特性

7 コア MC-PCF は中心コアを伝搬するビー
ムは他の 6 個のコアとエバネッセント結合する．そのため，電界は中心のコアに集中し，中心コアの反転分布が他のコアにくべて早く枯渇してしまうなどの理由から出力に制限がかかる．対して 6 コア MC-PCF は可飽和吸収体による in-phase モードの選択には飽和フルエンスによる各モードへの損失差を利用する．遠視野領域では inphase モードは中心にピークを持つが，他のスーパーモードは複数のピークを持つ．こ験を経て，利得ファイバーを MCPCF に置の強度分布の差を利用し，in-phase モードき換え位相同期モード同期実験を行った．

が優先的に透過し，他のスーパーモードに本研究の共振器配置図を図 5 に示す．7 コ

対して損失として機能することで選択励振

ア MCPCF のファイバー長は 2.3 m である．

が実現される．また，可飽和吸収体のモード

MCPCF は曲げ損失や，偏光の回転をなる同期素子としての働きを利用することで，べく防ぐために直径 48 cm のボビンに 1 周

in-phase モードの選択励振とモード同期ので巻かれている．励起光源には中心波長同時実現が可飽和吸収体のみによって実現

975 nm の半導体レーザー(LD)を使用し，2される．

枚のレンズによって MCPCF に空間結合し全正常分散 SESAM モード同期ファイた．ファイバーは励起光入射側では角度をつけずに，もう片側は寄生発振を防ぐために 8°にアングルクリーブした．残留励起

バーレーザー

光を弾くためにダイクロイックミラーを挿全正常分散モード同期は全て正の分散を入した．偏光を単一にするために共振器内示す光学素子で共振器を構成することで、部 に 偏 光 ビ ー ム ス プ リ ッ タ :Polarizing

正チャープしたパルスが伝搬し非線形光学

Beam Splitter(PBS)を挿入した．また，波長効果を抑えることができ，高パルスエネル選択を行うための複屈折フィルタとして 5ギーを取り出すことができる。そのため，こmm 厚の水晶位相板を PBS の後ろに配置しの手法は高出力化に有効であるが，全正常た．本研究では SESAM の一種でアウトプ分散モード同期の報告の多くはリング型共ットカプラーを兼ねた可飽和出力結合鏡:振器を用いた非線形偏波回転によるもので，

Saturable Output Coupler(SOC) を使用しSESAM を使用した全正常分散モード同期た．SOC は飽和フルエンス 40 μJ/cm2，反ファイバーレーザーの報告は少ない．そこ

射率 58％，透過率 19％，変調深さ 9.5％ので，本研究では前段階として MCPCF ではものを使用した.飽和フルエンスを超えやなく単一コアファイバーを使用し，全正常すくするために，レンズによってビームを分散 SESAM モード同期ファイバーレーザSOC に集光した．共振器はファイバー端面ーの開発を行っている[6]．単一コアでの実図 5. 7 コア MCPCF モード同期実験共振器配置図

と SOC により構成され，出力の大部分が後方出力に集中しているため，後方出力側の結果を報告する．

実験結果
24 W 励起時に最大平均出力 14.1 W のモード同期レーザーが得られた．共振器長に応じた繰り返し周波数が 42.4 MHz であるため，333 nJ という高エネルギーパルスを取り出すことに成功した．図 6 にパルストレインと入出力特性を示す．15 W 付近から
Q スイッチモード同期から CW モード同期へと移行した.
また、可飽和吸収体(SA)によって位相同期が行われていることを確認するために、SOC を高反射(HR)ミラーに置き換えた実験を行った。図 7 は SOC を使用した場合の24 W 励起時の近視や強度分布と遠視野強度分布、そして HR ミラーを用いて連続波(CW)動作を行った時の近視野強度分布と遠視野強度分布を示す。
図 7 より、HR ミラー時には複数のモードが混ざった複雑な様態を示し、SOC の時は遠視野像近視野像ともに中心に強度分布を持っており、in-phase モードが優先的に選択されていることが分かる。このことから SA による位相同期が実現された。また、

図 7. (a)HR ミラー時の遠視野像および近視野像 (b)SOC 時の遠視野像および近視野像
横モード特性の評価を行うために in-phaseモードの占有率をストレール比を用いて算出した。ストレール比は規格化された inphase モードの遠視野強度分布の計算値の最大値で、規格化された遠視野強度分布の実測の最大値を割った値で算出される。ストレール比を測定したところ 21 W 励起時に最大 34%を観測し、24 励起時には 24%であった。
本研究ではビームを SOC へ集光することで近視野領域での位相同期を達成している。しかし、これまで遠視野領域でのモード選択が実現されると考えられていた。現状、図 6. 時間波形および入出力特性

図 8. (左)発振スペクトル(右)自己相関波形
近視野領域での位相同期の原理は解明でき形状およびバンド幅によってこのモード同ていない。今後そのメカニズムを解明する期の状態が依存する[7]。基本的にバンド必要があると考えている。図 8 に発振スペ幅が広いほどよりパルスの分裂が抑えられクトルと自己相関波形を示す.発振スペクシングルパルス動作を達成しやすくなる。

トルは 0.1 nm の分解能で測定された．スペ

本研究では波長選択素子として水晶位相版

クトルに構造は存在するが、中心波長は約を用いて複屈折フィルタを使用した。複屈1042 nm，スペクトル幅は約 1 nm の広がり

折フィルタは板厚がより薄くなればそのバのあるスペクトルが観測された．スペクト

ンド幅は短くなる。そこで、5 mm 厚の位ルと同時に自己相関波形を取得し，パルス相版から 2 mm 厚の位相版に変えること

幅は sech2 の波形を仮定してフィッティンで、モード同期実験を行った。

グしたときに 52 ps であった．このことか

図 10 に位相版を変更したときの遠視野

らピークパワーは 6.4 kW と見積もられる。

発振スペクトル自己相関波形を示す。

また，自己相関波形には構造が存在していスペクトルは構造を有しているが中心波長るが，これはモード同期の不安定性に起因約 1036.3 nm、広がりのあるスペクトルがしていると考えられる．

観測された。スペクトルは約 0.1 nm の幅

自己相関波形にはコヒーレントスパイクの広がりを持っていた。をスペクトルと同が表れておらず、シングルパルス用の波形時に自己相関波形を取得し、パルス幅はを取得した。しかし、共振器外部で圧縮をsech2 の波形を仮定しフィッティングをし試みたところパルス幅に変化が見られなかたときに半値全幅で 42 ps であった。自己った。この結果から、ノイズライクパルス相関波形は 500 fs ごとに測定された。スペ動作をしていると考えられる。全正常分散

クトル幅から見積もられるフーリエ限界パモード同期ファイバーレーザーにおいて、ルスは 11 ps であり、ノイズライクパルス共振器内部に広がり続けるスペクトルとパに見られるフーリエ限界パルスと同程度のルスを補償するためにスペクトルフィルタ幅を持つピークであるコヒーレントスパイー(SF)が挿入されえる。この SF のバンド

クは見られていない。そのためシングルパ図 10. (a)遠視野像 (b)発振スぺクトル (c)自己相関波形ルス動作を達成していると考えられる。現期法の研究”,電気通信大学大学院,修士論文(2013)

在のピークパワーは 3.4 kW であるが圧縮[3] T. A. Birks, J. C. Knight, P. St.J. Russell, “Endlesslyすることによって更なる高尖頭出力化が見single mode photonic crystal fiber,” Opt. Lett. 22, 13,

込まれる。共振器外部で分散補償したとこ

961(1997)

ろパルス幅に変動がみられ、今後最適化を[4] M. Wrage, P. Glas , M. Leitner, “Combined phase

行い限界までの圧縮を試みる。また、遠視

locking and beam shaping of a multicore fiber laser by

野像のストレール比は 28%であり、in-structured mirrors”, Optics Letters, 26, 13, 980-

phae モードの選択が行われていた。

982(2001)

まとめ[5] L. Michaille, D. M. Taylor, C. R. Bennett, T. J.
Shepherd , B. G. Ward, “Characteristics of a Q switched

本研究では半導体可飽和吸収体のみによるmulticore photonic crystal fiber laser with a very large

MCPCF の位相同期モード同期に初めて成mode field area”, Optics Letters, 33, 1,71-73(2008)

功した．これにより，ファイバーレーザーか[6] 川村朋稔, “可飽和吸収可体によるマルチコアファイら高ピークパワーパルスを取り出す手法とバーレーザーの位相同期に向けたモード同期ファイバーして，レーザーアレイのコヒーレントビーレーザーの研究”,電気通信大学大学院,卒業論文(2019)

ム結合が有用な手段の一つである可能性が[7] R. Xu, F. Xu, Y. Song, L. Duan, Y. Song, S. Tan, and示された．

Z. Liu., “Impact of spectral filtering on pulse breaking-up

参考文献[1] Philip St.J. Russell,”Photonic-Crsytal Fibers”, Journalof Lightwave Technology, 24, 12, 4729-4749 (2006)[2]佐藤慶吾, “マルチコアファイバーレーザーの位相同and noise-like pulse generation in all-normal dispersion
fiber lasers,” Opt. Express, 28(15), p. 21348-21358,(2020)