エルビウム・イットリビウム共添加ダブルクラッドファイバーを用いた単一偏光二波長光源の作製
量子物質工学科 0223006 勝又信哉
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はじめに
現在、高出力ファイバーレーザーを用いた高効率可視光変換の研究が盛んである。エルビウム・イットリビウム共添加ダブルクラッドファイバーを用いた高出力な二波長同時増幅（1μm 帯と 1.5μm帯）が可能になれば、その組み合わせで様々な可視光を出力する事が可能となる。そのため、本実験
では、二波長同時増幅、単一偏光光源の作製を目的としている。単一偏光化については、高効率な第二高調波発生をさせるためである。
（以後、エルビウムを Er、イットリビウムを Yb とする。
）
2

実験原理

2‑1 実験図
Er:YbDCF
L=4.5m
クラッド径=250μm

最大出力=25.6W
コア径=400μm
NA=0.22

コア径=18μm
NA=0.46

10°136mW

1550nmSeed Er Fiberlaser
1550nmアイソレーターLD975nm
WDMカップラー

1066nmダイクロイックミラー

96mW

Seed LD
1066nmアイソレーター
コア径が6μmと18μmのファイバーの融着
融着損失=0.47dB
クロストーク=17dB
図 1 実験図
図 1 に実験図を示す。
本実験で使用されるファイバーはすべて偏波保持型のファイバーである。
1066nm（半導体レーザー）、1550nm のシード光を反射を防ぐためのアイソレーター、WDM カップラーを通し、Er:Yb 共添加ファイバーに入射する。
ファイバーは、波長 975nm、最大出力 25.6W の LD で励起され、二波長を増幅し、ダイクロイックミラーで二波長を取り出す装置となっている。
アイソレーターを通過後のパワーは 1066nm シード光が 96mW、1550nm シード光が 136mW となった。
偏波消比は、1066nm シード光は 17.7dB、1550nm シード光は 24.7dB であった。
また、ファイバー端面はフレネル反射を防ぐために、約 10°のアングルをつけて研磨してある。
1550nm シード光はマルチモードなので、まとめで述べる方法でシングルモード化した。
Er:Yb 共添加ダブルクラッドファイバーの特性は、Er 濃度は、2000ppm（通常は濃度消光の関係で1000ppmg 程度が限界だが、2‑4 に述べる方法で解決）、Yb 濃度は 30000ppm でマルチモードファイバーである。また、今実験では、シード光 1550nm のみで増幅した時を一波長増幅、1550nm と 1066nm で増幅した時を二波長増幅と呼ぶ。

2‑2 1066nm シード光源について
図 2 に 1066nm シード光配置図を示す。
コリメートレンズの間にバンドパスフィルターをはさみ、1nm のバンドパスフィルターとファイバー端面で外部共振器を組み、単一偏光化する。また、バンドパスフィルターを傾けることで、発振する周波数を選択することができる。

1066LD
図 2 1066nm シード光配置図
2‑3 1550nm Er Fiber Laser についてファイバーレーザーであるので、共振器長が長く縦モード間隔(FSR)が 4.1MHz で、モード数は、6.3GHz となり、多数のモードが存在し、ビート雑音が存在する。ビート雑音の周期は、0.25MHz である。
2‑4 Er:Yb 共添加ファイバーの利点
図 3 に Er:YB 配置イメージ図を示す。Y がイットリビウム、E がエルビウムである。
Yb の吸収断面積は大きく（975nm 帯で Er は 0.2*10‑20cm2、Yb は 2.0*10–20cm 2）短いファイバーでも十分に増幅することが可能である。また、Er 添加のみの時に起こる、クラスタリングによる濃度消光を
Yb が Er を囲み、Er 間の距離を離すことによって、抑制することができる。
Y
Y
Y
Y

Y

E

Y
Y
図 3 Er:YB 配置イメージ図

2‑4‑2 Er:Yb エネルギー準位図2F
5/2

LD 975nm
シード光 1066nm
2F

7/2

4I

9/2

4I

11/2

4I

13/2

E
YYY

Energy transfer
ASE
1066nmシード光 1550nm

1550nm4I
15/2YbEr
図 4 Er:Yb エネルギー準位図
図 4 に Er:Yb エネルギー準位図を示す。
一波長時は、975nmLD で Yb を励起し、励起されたものは、Er 側にエネルギー移動を起こす電子と、1030nm ピークの増幅自然放出光（ASE）をするものがあるが、二波長増幅を行うと、Yb 側でも 1066nmで増幅されるので、ASE を抑制し、安定に二波長を増幅することができる。
2‑5 偏波保持型ダブルクラッドファイバーについて
図 5 にダブルクラッドファイバー、図 6 に偏波保持ファイバーを示す。
本実験では、単一偏光出力も目的のため、偏波保持型 Er:Yb 共添加ダブルクラッドファイバーを使用する

Fast 軸Slow 軸図 5 ダブルクラッドファイバー

図 6 偏波保持ファイバー

図 5 で示す通り、シード光を Er:Yb が添加されたコアに入射し、内部クラッドに励起光を入射しコアを励起していく。そのため、励起光は、広い面積に入射でき、高エネルギー、ビーム品質の悪い LDでも使用できる。
偏波保持については、図 6 にあるように、コア付近の二つの丸い部分に B2O3 がドープされており、Fast軸 Slow 軸それぞれで偏波が保持される。Fast 軸とは、ファイバイーの屈折率が最小、Slow 軸は屈折率が最大の部分である。
3 実験結果 1066nm、1550nm 付近のスペクトルについて
0-10-10-20-20-30-30-40I(dB)

I(dB)-40-50-50-60-60-70-70-80
1000

1020

1040

1060

1080

1100-80

1530

Wavelength(nm)

図 7 Yb 側スペクトル

1540

1550

1560

1570

Wavelength(nm)図8Er 側スペクトル

図 7 に 1066nm 付近のスペクトルを、図 8 に 1550nm 付近の一、二波長増幅時、シード光のスペクトル（黒線がシード光、赤線が一波長増幅時、青線が二波長増幅時である）、図 9 一、二波長増幅時パワー特性を示す（赤線が 1066nm 黒線が 1550nm で実践が二波長増幅時、点線が一波長増幅時）。
Yb 側スペクトルでは、一波長増幅時は 1030nm をピークとした。ASE が発生していて、発振は起こっていなかった。最大 ower=2.75W だった。
二波長増幅時は、1066nm で増幅されており、最大 Power=6.62W であった。
Er 側スペクトルについては、一波長増幅時は、最大 Power=5.11W、二波長増幅時は、最大 Power=4.18Wだった。二波長増幅時に、パワーが低下したのは、1066nm で増幅されているため、エネルギー移動が起きる確立が低下したからである。
二波長のエネルギー比率は、シード光のパワーを変えることによってある程度調整することができる。
調整の範囲については、図 9 のパワー特性の一波長時、二波長時の間である。
赤い実線が 1066nm 二波長増幅時、赤い点線が一波長増幅時の ASE、黒い実線が二波長、点線が一波長増幅時のものである。縦軸が強度(dB)。

765)
Bd(ytsinetnI

43210051015202530

Launched Power(W)

図 9 一、二波長増幅時パワー特性
3‑2 1550nmM2 測定結果
図 10 に 1550nmM2 フィッティングのグラフ、図 11 に CCD カメラでレーザーを正面から撮った映像を示す。1550nm シード光は、マルチモードなので、シングルモードになっているか確認を行うため、M2測定を行った。
黒線が x 軸、赤線が y 軸の結果である。フィッティングを行った結果、M2x=1.22、M2y=1.24であり、シングルモードと言えた。また、シングルモード化するために、Er:Yb 共添加ダブルクラッドファイバーに曲率を加えた。曲率半径は 1〜1.5cm である。 計算の結果、第二高調波発生に用いるリチウムナイオベートの結晶長は 15cm 程度まで使用できることがわかった。
1.4 103
1.2 1031 1038 102W(um)
6 102
4 102
2 102
0010203040Z(cm)50

図 11 CCD 正面映像

図 10 1550nmM2 フィッティング
3まとめと今後の展望
二波長を 1066nm は 6.62W に、1550nm は 4.18W に増幅することに成功した。
偏波消光比が増幅の前後で、1066nm は 17.7dB から 6.5dB に、1550nm は 24.7dB から 11.5dB に減少した。これはファイバーの融着点のクロストークが原因と考えられる。
現在 2.5cm のリチウムナイオベートを用いて、1550nm の第二高調波(775nm)発生に進んでいるが、高い変換効率を得られていない。セルマイヤー方程式の赤外域で有効なものを再考察し、再実験を行う。