Tm 添加分散設計シリカファイバーを用いた

波長 2 µm 帯モード同期発振器の開発とその高出力化
戸倉川研究室佐藤匠
値はセルマイヤーの式にシリカガラスのセルマ

1 はじめにイヤー係数を代入することで求められる。図 1

波長 2 µm 帯レーザーは多くの対象に対してにシリカガラスの屈折率波長依存性を示す。

現在主流の波長 1〜1.5 µm 帯レーザーとは異なる光学特性 (吸収、散乱) を示し、加工や医療など様々な分野での応用が期待されている。それら応用ではサブ ps の短パルス性や µJ 程度のパルスエネルギーが望まれるが、波長 2 µm 帯サブ ps ファイバー発振器から得られるパルスエネルギーはシリカガラスの異常分散により波長1 µm 帯に比べ 2 桁以上小さい数 nJ 程度に制限

図 1 シリカガラスの屈折率波長依存性されている。そのため上記のような応用には多段階の増幅が必要であり、実用上の制限となっ2.3導波路分散ている。そこで増幅の段数を減らし、1 段階の光ファイバー中では光は屈折率の高いコアと増幅で µJ 程度のパルスエネルギーが得られる

屈折率の低いクラッドの境界面で全反射を繰よう、波長 2 µm 帯で正常分散を示す利得ファり返しながら伝搬する。その際コアからクラッイバーを用いた発振器出力のスケーリングを行ドへ光は染み出しながら伝搬する。そのため光い、10 nJ 程度の出力を目指した。

が感じる屈折率、実効屈折率は光が伝搬するコアの屈折率 n (λ) よりも小さくなる。そのため

2 原理
2.1

光ファイバーの全分散は材料分散に加えて導波路構造による影響である導波路分散も付加す

波長分散

波長分散とは、光波の位相速度が波長に依存る必要がある。導波路分散はコアの半径やコアすることをいう。光パルスは多数の波長の光でとクラッドの屈折率差 ∆ (比屈折率差) などの構成されているため、分散の影響を受けるとパ値にって決まる。導波路分散によって分散値はルス内で各波長の位相速度が変化する。そのたシフトし、通常のステップインデックスシリカ

めパルス形状の変化、パルスの拡がりを起こしガラスファイバーでは、分散の値がゼロになるてしまう。

波長であるゼロ分散波長 λD が材料分散のもの2.2よりも長波長側へシフトし λD = 1.31 µm と材料分散なる。

材料分散は光ファイバーに使用されているシまたこの性質を利用して、コアの半径や比屈リカガラスなどの材料固有の性質で屈折率の波折率差を調整することにより λD をさらに長波長依存性が生じるものである。この材料分散の長へシフトさせた分散シフトファイバーや、特1殊な屈折率分布により分散曲線中の所望の波長

この群速度分散 β2 または分散パラメータ Dにディップを出現させ分散値の制御を行う分散の符号によって分散の効果は異なる。D < 0制御ファイバーなどがある。

を満たす場合、正常分散 (GVD は β2 で定義さ2.4れ、β2 と D の符号は異符号であるため D < 0

群速度分散のとき β2 > 0 となるから) となる。正常分光ファイバーの分散性を説明するために、

散では、パルスの低周波数 (長波長) 成分は高モードの伝搬定数 β を中心周波数 ω0 のまわり周波数 (短波長) 成分よりも早く伝わる。またでテイラー展開すると次式のようになる [1]。

ωc= β0 + β1 (ω − ω0 )1+ β2 (ω − ω0 )221+ β3 (ω − ω0 )3 + · · ·6

D > 0 の場合、異常分散となる。異常分散では光パルスの低周波数成分は高周波数成分よβ(ω) = n(ω)

りも遅く伝わる。図 2 にステップインデック
ス (SI) シリカガラスファイバー (コア径 : 〜(1)8 µm、NA : 〜0.14) の屈折率波長依存性を示す。λD = 1.31 µm であり、それより長波長では異常分散となっている。

ただし m = 0, 1, 2, . . . として、βm =[ m ]d βdω m ω=ω0(2)である。パラメータ β1 、β2 は屈折率 n とその導関数に関連付けられる [1]。

[]dnng11n+ω
==β1 =cdωcvg[]
1 dnd2 nβ2 =2+ω 2c dωdω23ωd nλ d2 n≃≃c dω 22πc2 dλ2(3)図 2 SI 型シリカファイバーの分散値波長依存性

(4)
2.5

W

型屈折率分布による分散制御

ここで ng は群屈折率、vg は群速度である。β1は群速度の逆数になっており、単位長当たりの伝搬遅延時間を表すため、群遅延時間と呼ばれる。β2 はパルスの広がりを決めるもので、群速度分散 (GVD) である。
光ファイバーの分散を表すために一般に用いられるのは、分散パラメータ D ps/nm/km であり、群速度分散 β2 と D の間には次の関係がある [1]。

図 3 W 型屈折率分布 [2]D=2πcdβ1= − 2 β2dλλλ d2 n(ω)≃−c dλ2

本研究で使用した Tm ファイバーの屈折率分布を図 3 に、分散曲線を図 4 に示す。この(5)

光ファイバーは信号光が伝搬するコアとシリ2

図 5 実験構成
図 4 W 型屈折率分布をファイバーの分散曲線 [2]persion Thulium silica Fiber : NDTF) を使用した。この NDTF を波長 1.55 µm の Er:Yb
ber MOPA で Wavelength Division Multiplexer (WDM) を通し後方励起した。ファイバー部両終端に APC が先に付いた SMF28 をカガラスの屈折率よりも低い屈折率をもつトレンチクラッド、シリカガラスのクラッドで構成されている。2.3 節で説明した通り、光ファイバー中コアを伝搬する光はクラッドに染み出し融着し、寄生発振を抑制した。共振器長を長くながら伝搬している。その際コアの周りにトレし、非線形光学効果による CW とパルスの偏ンチクラッドがあることにより、染み出した光光の回転量の差を大きくするため、SMF28 をは実効屈折率の低下を受ける。長波長の光ほど追加で融着している。また WDM や APC に付染み出しは大きいため、より実効屈折率の低下随するファイバーも SMF28 であり、2 µm 帯でを受けやすくなる。しかし染み出しが大きくなは異常分散を有している。その分散値を補償りすぎるとクラッドにまで到達してしまい、実し共振器の分散値を正常分散とするため、コア効屈折率はわずかに大きくなる。そのためコア径を約 3 µm と小さくすることで 2 µm で正常やトレンチクラッド、クラッドの径、比屈折率分散を示す、Ultra High NA 7 (UHNA7) ファ差を設計することにより導波路分散値の制御が可能になる。これにより、所望の波長においてイバーを融着した。表 1 にそれぞれのファイ導波路分散の影響を大きくすることができる。

バーの波長 1950 nm における分散値を示す。
実験では SMF28 の長さを短くし共振器の分図 4 では分散曲線中にディップが生じ、本研散量を大きくしながら行った。共振器中の光究で使用した光ファイバー (Fiber OD 145 µm)

は Isolator (ISO) により反時計回り方向に伝搬

では波長 2 µm 帯において、コア径約 5.5 µm

し、ISO 中前方の PBS により反射される光をの大きさで正常分散が得られていることが分取り出しとしている。この構成で励起パワーかる。

を上げ各波長板 (Half Wave Plate :このファイバーを利得ファイバーとして用い

HWP ,Quarter Wave Plate : QWP) を回し、モードることで、共振器内の増幅動作時におけるソリ同期動作を試みた。

トン圧縮を抑制することができるため、パルス

表 1 各ファイバーの分散量の分裂等を抑制し高エネルギー化を図ることがFiber Name
NDTF
UHNA7SMF28できる。

3 実験構成実験構成を図 5 に示す。利得ファイバーとして W 型屈折率分布により分散制御を行った 正 常 分 散 シ リ カ フ ァ イ バ ー (Normal Dis-

3Dispersion (ps2 /m)
0.02
0.04 [3]-0.07

4 実験結果
4.1

分散量 0.027 ps2 時
表 2 各ファイバーの長さ

Fiber Name

Length (m)NDTF
UHNA7SMF28
Total

4.6
3.8
3.2〜12.0

図 7 RF スペクトル

共振器中の各ファイバーの長さを表 2 のようにし、共振器の分散値を 0.027 ps2 として実験を行った。励起パワーを上げ 3 枚の波長板を調整したところ、モード同期動作が得られた。その時の出力特性を図 6 に示す。モード同期動作は励起パワー 550 mW 時に得られており、これより励起を大きくするとマルチパルス動作へと移行した。

図 8 スペクトル

図 6 出力特性
励起パワー 550 mW 時の結果を図 7〜9 に示す。 図 7 の RF スペクトルから変調の載って図 9 自己相関波形いないモード同期動作が確認された。図 8 のスぺクトルは 2 つのピークが存在するスペクト推定される。この時の平均出力が 46 mW で繰ル形状となっている。また図 9 の自己相関波形り返しが 17.6 MHz だったため、パルスエネルからはパルスの裾部分に高次分散の影響と見らギーは約 2.6 nJ と見積もられる。

れる拡がりが確認できるが、中心部分の形状を励起パワーを上げた際のパルスの分裂は、ガウシアンと仮定すると、パルス幅は 231 fs と4共振器中に存在する異常分散ファイバーでパルス圧縮が起き、ピーク強度が大きくなることで非線形光学効果が大きくなることで発生していると考えられる。利得ファイバー前後に SMF28 がそ れ ぞ れ 〜1.6 m ずつ 存 在 す る
ため次の実験では追加で挿入している増幅前の SMF28 の長さを短くし、共振器の分散値を大きくして実験を行った。
4.2

分散量 0.057 ps2 時
図 11 RF スペクトル

表 3 各ファイバーの長さ

Fiber Name

Length (m)

NDTF
UHNA7
SMF28Total

4.6
3.8
2.8〜11.5共振器中の各ファイバーの長さを表 3 のようにし、共振器の分散値を 0.057 ps2 として実験を行った。励起パワーを上げ 3 枚の波長板を調整したところ、モード同期動作が得られた。

図 12 スペクトル

その時の出力特性を図 10 に示す。モード同期動作は励起パワー 400 mW 時に得られており、励起パワーを 800 mW より大きくするとマルチパルス動作へと移行した。

図 13 自己相関波形号の信号に比べ約 60 dB ほど小さいサイドローブが確認された。励起光からはこのような変調

図 10 出力特性成分は確認されなかったため、レーザー共振器

励起パワー 550 mW 時の結果を図 11〜13 に内で発生していると考えられ、現在原因を究明中である。図 12 のスぺクトルは 2 つのピーク示す。 図 11 の RF スペクトルではメインの信5分布をもつ分散設計 Tm 添加シリカファイバーを用い非線形偏波回転モード同期レーザーの開発を行った。共振器の分散値が 0.027 ps2 時にはシングルパルスでパルスエネルギー約 2.6 nJとなる動作を実証した。また共振器の分散値が0.057 ps2 時にはシングルパルスでパルスエネ
ルギー約 4.0 nJ となる動作を実証した。卒研
時には共振器の分散値が異常分散領域のソリトンモード同期において、パルスエネルギー約1.0 nJ となる動作を実証していたが、今回の実験では共振器の分散値を大きくすることでエネ
図 14 ビームスプリッタ分岐後のスペクトルルギースケーリングに成功している。
今後はさらに分散値を大きくし、一層のエネ(赤：反射、緑：透過)ルギースケーリングを目指す。そして共振器が存在し、長波長側のピークが大きく出た形状外部でパルス圧縮を行い、数百 fs オーダーのとなっている。また図 13 の自己相関波形は非パルス幅で 10 nJ 程度のパルスエネルギーを目対称に観測されている。通常左右対称に観測さ指す。

れる自己相関波形がこのように非対称に観測される原因としては、パルスがチャープしてい

参考文献

ることと自己相関計に使用しているビームスプ[1] 住村和彦、西浦匡則 著、"解説 ファイバーレー
ザー ー基礎編ー"、オプトロニクス社[2] Yuhao Chen, et al, "Normal dispersion
thulium ber for ultrafast near-2 µm berlaser," CLEO 2018, AM2M2, 2018[3] Piotr Ci¡¢ka, et al, "Dispersion measurementof ultra-high numerical aperture bers covering thulium, holmium, and erbium emission
wavelengths",Journal of the Optical Societyof America B, Vol.35, 1301-1307, 2018[4] 國分泰雄 著、光波工学、共立出版[5] ヤリ―ヴ-イェー 著、多田邦雄、神谷武志 監訳、

リッタの波長依存性に因るものであると考えられる。図 14 にビームスプリッタ反射・透過後のスペクトルを示す。このように反射側では長波長側のピークが強く出ているのに対し、透過側のスペクトルでは短波長側のピークが強く出ている。自己相関計に入射したパルスがチャープしており、ビームスプリッタに波長依存性があることにより、このような現象が起きパルスが均等に分割できていないため、自己相関波形が非対称に観測されると考えられる。自己相関石川拓哉、板谷太郎、伊藤文彦、岡田至祟、鎌田

幅は約 870 fs であったため、パルス幅も数百憲彦、土屋昌弘、中野義昭、中林隆志、林秀樹 共fs であると考えられる。このときの平均出力が訳、"光エレクトロニクス 基礎編"、丸善出版

74 mW であり、繰り返しが 18.3 MHz であっ[6] Lars Grüner-Nielsen, et. al. "Dispersion-

たため、パルスエネルギーは約 4.0 nJ と見積もCompensating Fibers," Journal of Lightwave

られる。

Technology, Vol. 23, 3566-3579, 2005

5 まとめ
本研究では 2 µm 帯ファイバーレーザー発振器の出力スケーリングを目指し、W 型屈折率6