波長 1610 nm 狭線幅単一偏光 Er:Yb 全ファイバーMOPA の開発
戸倉川研究室藤田慧祐

1. はじめに放出断面積を示す[3]。波長 1610 nm における放長波長動作の狭線幅な Er ファイバーレーザー

出 断 面 積 は 波 長 1540 nm 付 近 に 比 べ て 、 約には様々な応用がある。例えば差周波発生や第二1/4~1/7 となっており(ガラスに依存)高効率、高出高調波発生などへの利用が考えられる。また力動作が難しい。高出力を得るため Er ファイバー

Cr2+:ZnS や Tm:Sc2O3 の励起光として用いることの利得係数を大きくするため Er3+イオンの添加量ができる。Cr2+:ZnS は中赤外のチタンサファイアを増加し濃度を高めていくと濃度消光により励起レーザーとも呼ばれ波長 2-3 μm 帯において発振効率が低下する。これを抑制した Er:Yb 共添加フ可能であり中心波長~1.7 μm の吸収を有しているァイバーが開発された。

ため、長波長動作の Er ファイバーレーザーが励起に用いられる。また波長 1.85-2.15 μm で高出力動作が可能な Tm:Sc2O3 レーザーも波長 1610 nm 付
近に強い吸収を有している。こうした波長 2-3 μm帯のレーザーは、加工や医療、ガス検知、4-12 μm
波長変換用励起光源などへの応用が可能であり大きな注目を集めている。上記のレーザーの応用、特にモード同期レーザーなどの開発を進める上で、狭線幅、単一偏光、高安定で高出力な励起光源が必要とされている。この波長帯の利得媒質である

図 1. Er 添加シリカガラスファイバーの吸収

Er:Yb 共添加ファイバーは、波長 1.5 μm 帯にお断面と放出断面積いて増幅動作が達成されているが[1,2]、1610 nm
における蛍光断面積は 1540 nm に比べて非常に2.2.

小さく、Er、Yb の増幅自然放出光(ASE)、寄生発

Er:Yb 共添加ファイバーは、Yb3+イオンを Er3+振を抑制することが困難であり高出力動作は報告

イオンと共に添加させ Yb3+イオンが Er3+イオンをが少なかった。本研究では波長 1610 nm の DFB

囲むようなクラスターを形成し Er3+イオン同士をレーザーを種光源とし、狭線幅(<20 MHz)、単一遠ざけることにより濃度消光に起因する Er 添加偏光(~25 dB)、高出力(>2.69W)、安定な All-fiber

濃度限界を向上させることが可能である。Er:Yb

MOPA を開発した。

ファイバーのエネルギー準位図を図 2 に示す。
Yb3+イオンが 910~980nm 帯の励起光により 2F5/2

2. 原理
2.1.

Er:Yb 共添加ファイバーに励起される。その後 Yb3+イオンと Er3+イオンのEr 添加シリカガラスファイバー

2F5/2 と 4I11/2 の準位が近いためエネルギー遷移がエルビウム(以下 Er)は希土類元素であり、これ起こり Er3+イオンを 4I11/2 に励起し、Yb3+イオンはを光ファイバーのコアに添加したものが Er 添加

4I11/2 に励起された Er3+基底準位 2F7/2 に遷移する。

ファイバーである。今回は開発した MOPA の前置

イオンは 4I13/2 に非放射過程で緩和し 4I13/2- 4I15/2増幅器として使用した。図 1 にその吸収断面積と準位間に反転分布を形成しレーザー発振する。こ1

うした Yb-Er のエネルギー遷移過程から高出力な用が強まり様々な非線形相互作用が現れる。今回

波長 910~980 nm の LD によって励起することがはガラス中の光強度がある閾値を超えると発生す可能である。Er:Yb 共添加ファイバーのレート方る非線形散乱の誘導ブリルアン散乱(Stimulated

程式は次のように表せる[4]。

Brillouin Scattering:SBS)について説明していく。
光ファイバーに強いコヒーレント光が入射すると、

𝑑𝑁2𝑌𝑏
𝑑𝑁1𝑌𝑏
𝑁2𝑌𝑏
=−= 𝑅𝑝𝑎 𝑁1𝑌𝑏 − 𝑅𝑝𝑒 𝑁2𝑌𝑏 − 𝑌𝑏 − 𝑘𝑡𝑟 𝑁2𝑌𝑏 𝑁1𝐸𝑟 (1)𝑑𝑡𝑑𝑡𝜏

その入射光により密度揺らぎによる音響フォノンが生じる。これがコアの屈折率の周期的な変調を

𝑑𝑁2𝐸𝑟
𝑁2𝐸𝑟= 𝑘𝑡𝑟 𝑁2𝑌𝑏 𝑁1𝐸𝑟 − 𝑊21 𝑁2𝐸𝑟 + 𝑊12 𝑁1𝐸𝑟 − 𝐸𝑟 − 𝐶(𝑁2𝐸𝑟 )2 (2)𝑑𝑡𝜏作り出し回折格子として働くことによって入射光

本実験ではこれを主増幅器として使用し、上式をがブラッグ回折し後方散乱光(ストークス光)とし解析的に解くことにより主増幅のシミュレーショて戻る。その様子を図 3 に示す。入射光パワーがンを行い実験結果に示した。

ある特定の閾値を超えるとそのパワーがストークス光パワーに引き抜かれてしまい出射光の出力が制限されてしまう。その閾値の式は次式で表される[5]。
21𝐴𝑒𝑓𝑓𝑃𝑡ℎ ≅ 𝑔 𝐿𝐵 𝑒𝑓𝑓(3)

ここで𝑔𝐵 はブリルアン利得係数、𝐴𝑒𝑓𝑓 は有効コア面積、𝐿𝑒𝑓𝑓 は有効相互作用長である。本実験で実際に計算した閾値の図を実験結果に示した。
図 2. Yb3+と Er3+のイオン間のエネルギー図

2.3.

主発振器出力増幅器(MOPA)

主発振器出力増幅器(Master Oscillator PowerAmprifier: MOPA)とは高安定な種光と高出力な

図 3. 誘導ブリルアン散乱の発生光増幅器をそれぞれ独立に制御することが可能であり、種光の良好なビーム特性を保持したまま高3. 実験出力が得られるのが特徴である。図 3 にファイバ

3.1.

ーMOPA の構成例を示す。本研究ではこの構成を実験方法

本研究で用いた MOPA の実験系を図 4 に示す。

用いた。

種光源として出力 40 mW の波長 1610 nm 単一偏光 DFB レーザーを使用した。これを出力 500 mWの波長 1480 nm LD を用い WDM(1610 nm/1480nm)を通して前方励起 Er 添加ファイバー増幅器によって前置増幅した。使用した Er ファイバーは、
図 3. ファイバーMOPA の構成例

2.4.

コア径 6.7 μm、NA≈0.22 である。Er の寄生発振から LD の破壊を防ぐために WDM と種光源の間誘導ブリルアン散乱にはアイソレーター(1550 nm)を挿入した。次に出光ファイバーは光を非常に狭い空間に閉じ込め

力 20 W の波長 915 nm LD を用いポンプコンバイるため電磁場のパワー密度が大きくなることによ

ナーを通して後方励起 Er:Yb 共添加ダブルクラッ

り光の強度が強くなることから物質と光の相互作

ドファイバー増幅器によって主増幅を行った。使23.2.2. 主増幅後の結果用した Er:Yb 共添加ファイバーは、
コア径 10 μm、クラッド径 128 μm、NA≈0.2 である。主増幅器と主増幅実験によって得られた出力特性と偏波消前置増幅器の間にはアイソレーター(1610 nm)と光比を図 6 に示す。今回開発した波長 1610 nm 全

Yb の 寄 生 発 振 か ら LD の 破 壊 を 防 ぐ た め にファイバーMOPA は最大出力 4 W、スロープ効率WDM(1610 nm/1064 nm)を挿入した。WDM の20 %を示し、偏波消光比に大きな変化が無い為1064 nm ポートの端を APC にすることにより Yb

PM ファイバーにより偏光が保たれた増幅が行わによる寄生発振のフィードバックを防いでいる。

れていることを確認できた。
4output power (W)挿入し、こちらの 1064 nm ポートも APC にした。
最後にアイソレーター(1610 nm)から出力を得ることにより増幅実験を行った。単一偏光を得るた
めに PM ファイバーを使用した。

0-5slope efficiency ~20%

3-10-15

2-20-25

1-30-3500510-40
2015

pump power (W)polarization extinction ratio

主増幅器後にも同じ WDM(1610 nm/1064 nm)を

図 6. 出力特性と偏波消光比

ま た 光 ス ペ ク ト ル ア ナ ラ イ ザ ー (YOKOGAWAAQ6370C)によって測定したスペクトルを図 7 に示す。出力の上昇に伴い波長 1550 nm 周辺に Er
図 4. Er:Yb 共添加ファイバーを主増幅器としたによる ASE の成長が確認された。

MOPA 構成

010-1

3.2.

10

Intensity a.u.

結果と考察

3.2.1. 前置増幅後の結果
まず前置増幅によって得られた WDM 後の出力特性とアイソレーター後のスペクトルを図 5 に示

output power (W)判断した。
-20

Intensity (dB)

output power (mW)

-10-30-40200

300

400

pump power (mW)

500431650total
1610 nm outputASEcal. 1610nmcal. ASE

2100-5010016005るがこれは主増幅器で吸収されるため問題ないと

01550

Wavelength (nm)

した出力特性を図 8 に示した。

できる。波長 1480 nm において励起光が確認でき0-410

このスペクトルの面積比から ASE の割合を計算と波長 1610 nm において増幅されているのが確認

5010

図 7. 出力上昇に伴うスペクトルの変化てこの出力で充分と判断した。スペクトルを見る

1000.1 W-3-6mW まで増幅されている。主増幅を行うにあたっ

1500.8 W

2.4 W

101500とアイソレーターの損失があるため実際は約 300

slope efficiency ~47 %3.2 W-210-5で増幅され、スロープ効率は 47%を示した。WDM2001.6 W10す。励起光出力 500 mW のとき種光は 227 mW ま

2504W

5101520pump power (W)-60
1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800

Wavelength (nm)図 8. 増幅光と ASE の計算結果とシミュレーション

図 5. 前置増幅後の出力特性とスペクトル34. まとめと今後の展望

出力 2 W までは ASE の成長は見られなかったが 2W 以降成長していきそれに伴い増幅光の出力が飽本実験では最大出力 2.69 W、線幅 18 MHz、偏和した。最終的に増幅光の最大出力は 2.69 W、

波消光比 21dB、安定な波長 1610 nm 全ファイバ

ASE は 1.31 W となった。この ASE はシミュレー

ーMOPA 光源の開発に成功した。線幅の広がりがションからも予想され、実測値との結果とほぼ一無い増幅動作が得られたため、種光源である DFB致した。この ASE と共に誘導ブリルアン散乱によレーザーを変えることによって Er シリカガラスっても出力の制限が起きていないかを確認するたの利得が存在する波長 1530-1627 nm において狭めに SBS 閾値を(3)式によって見積もった図を図 9線幅で高出力な増幅動作が可能と考えられる。現に示した。有効相互作用長 5 m、コア径を 10 μm

在前置増幅器の増設、ASE 除去フィルタの挿入、と仮定した時の SBS 閾値は約 6.6 W であったため主増幅器における励起 LD の出力増加により SBS

SBS による出力の制限は起こっていないと考えら

閾値の限界である 5~10 W までの増幅を目指してれる。

いる。

参考文献

Brillouin threshold (W)

14Leff = 3 m
Leff = 5 m
Leff = 7 m

1210[1] S, Grzegorz, et al. Optics Express 19. 19104-19113.
(2011)

8[2] J, Yoonchan, et al. Selected Topics in Quantum

6Electronics, IEEE Journal of 13.573-579. (2007)

4[3] Thirstrup, Carsten, Yuan Shi, and Bera

2Palsdottir. Lightwave Technology, Journal

0of 14.732-738.(1996)

468101214Core diameter (m)[4] 須藤昭一 編 “エルビウム添加光ファイバ増幅器~情報通信ネットワークに革命をもたらすキーデバ

図 9. SBS 閾値の見積もり

イス~”、オプトロニクス社

また開発した光源の線幅を自己遅延ヘテロダイン[5] G.P. アグラワール著, 小田垣考, 山田興一訳, ”

法によって測定した図を図 10 に示した。種光、前非線形ファイバー光学”, 吉岡書店

置増幅後、主増幅後の線幅は約 18 MHz が得られ、normalized intensity (dB)

線幅の広がりが無い増幅動作が得られた。
5SeedPre Amp
Main Amp

0~18 x 1.41 MHz-5-10-152030405060708090

frequency (MHz)図 10. 線幅の測定結果

4