ファイバラマンレーザーを用いた 2 波長励起システムによる810 nm 帯 Tm:ZBLAN ファイバ MOPA の高効率化
武者研究室
1． は じ め に
現在、周波数安定度 10

久保貴志

熱変形によるアライメントのズレであり、-18を達成した Sr

その対策を行う必要がある。これを踏まえ光格子時計が次世代の周波数標準の有力なて私は、高効率化による熱負荷低減により候補として注目されている[1]。光格子時計

長期安定動作達成を目指した。の運用には 3 種のレーザーが必要であり、光格子生成に用いられるトラップ光源を小2． 最 適 2 波 長 励 起型かつ長期安定動作可能にすることで、次2.1

最適 2 波長励起について世代の可搬型光格子時計として、地球物理や衛星搭載等の応用が考えられる。トラップ光源には、波長 813.42 nm、線幅 1 MHz以下、出力 1 W 以上の性能が求められる。
我々は出力 1.5 W 以上を安定に一日以上動作させることを目標として、光ファイバを用 い た MOPA(Master Oscillator Power

図 1: Tm:ZBLAN の吸収断面積(左)[2]、準位図(右)Amplifier)の光源開発を行っている。主レーザーは出力約 30 mW の挟線幅フィルター型外部共振器型半導体レーザー(ECLD)を自作し、その出力を Tm:ZBLAN ファイバ増幅器により周波数安定度を保ったまま増幅を行う。Tm3+は 810 nm 帯に蛍光を持つ唯一の希土類イオンであり、母材にシリカではなくフッ化物である ZBLAN を選択することで、増幅に用いる上準位の寿命を十分長くできる。Tm3+の 810 nm 帯における強い再吸収に打ち勝つ高輝度励起を行うために、
波長 1064 nm の Yb:FL(ファイバレーザー)を使用した 2 段階のコア励起を選択した。
これまでに自由空間からの後方励起の構成において光学的要求を全て満たした出力1.68 W の光源を作製した。しかし、６時間程度で出力が低下してしまい長期運転を達成することができなかった。原因は、高輝度の励起光による ZBLAN ファイバ端面の図 1 に波長 810 nm 帯の増幅に用いている
Tm:ZBLAN のエネルギー準位及びその吸収断面積を示す。2 段階励起の各過程において波長 1064 nm と比べて大きな吸収断面積を持つ波長が存在することが分かる。よって基底準位から中間準位への遷移(①)及び中間準位から上準位への遷移(②)に対してそれぞれ最適な波長 1220 nm 及び 1050 nmの励起光源を作成し、2 波長 2 段階励起を行うことによる高効率化を目指した。特に基底準位から中間準位の遷移(①)では波長1064 nm の吸収断面積と吸収中心の 1220nm では差が大きく、簡単なシミュレーションにより 1064 nm を用いた単一波長励起と比較し、50%以上の変換効率向上が見込まれた。
波長 1050 nm のレーザー光源については、
波長 1 µm 帯に高い利得を持ち、単純な準位構造から他の希土類イオンと比較し 1 桁以内の安定な波長 1064 nm 発振の Yb:FL を作

上大きな出力を達成可能な Yb:FL を用いる。

製していたので、その経験を元に作製を行

波長 1220 nm のレーザーについては、利った。

得帯域を持つ希土類イオンが存在しないた
め、誘導ラマン散乱により利得を得る事ができるファイバラマンレーザー(FRL)により実現する。好都合であることに、ラマン媒質としてラマン周波数シフト 1330 cm-1 にピークを持つリン添加ファイバを用いることで、波長 1050 nm(Yb:FL)を励起光として波長 1220 nm の 1 次ストークス光を得ることができる。この構成は、一般的な光ファイバであるゲルマニウム添加ファイバを用

図 3: レーザー構成図(上: Yb:FL、下: FRL)

いた場合に比べ低次ストークス光で達成可能なため、変換効率が良いという利点があ

作成した Yb:FL の構成を図 3 に示す。励起る。

源として波長 976 nm 発振の高輝度LD(LIMO 社LIMO035-F100-DL980-EX

1720 及び BWT 社 976AA2RN-18.00W)を用い、ポンプコンバイナ(LIGHTCOMM 社
MPC-(2+1)x1-F-975/15-1064-110/001-465-C4-0.8M)により励起光を Yb3+の添加されたダブルクラッドファイバの第 1 クラッドに導入する構成である。高出力レーザーによく見られる OC の線幅を HR より細くする構成を選択し、FBG(OC)に線幅 0.1 nm、FBG(HR)に線幅 1 nm を決定した。利得長、OC の反射率は作成したファイバレーザー
図 2: リン添加ファイバのラマンスペクトル[3]シミュレーションの変換効率から、波長1050 nm 及び 1220 nm の目標値をそれぞれ出力 4.5 W 及び 3 W とした。
2.2

Yb:FL の 作 製

まずは、Tm:ZBLAN 増幅器励起用及びFRL 励起用に 2 台の Yb:FL を作製した。学部時代の研究において出力の変動が 0.5%以シミュレーターのシミュレーション結果を元に選択した。利得ファイバは八角形クラッドを持つ LIEKKI 社 Yb1200-6/125 とPANDA ファイバである LIEKKI 社
Yb1200-6/125PM をそれぞれ 2 m 及び 3 m 用いた。また、コンバイナと利得ファイバは双方ともダブルクラッドファイバであり、その融着点は屈折率の低い物質で覆わなければホコリ等の付着が原因で出力が低下する。チューブで覆い中空にする方法も存在するが、今回はファイバリコータ(フジクラ社 FSR-2)を用いて低屈折率リコート剤作製した FRL の構成を図 3 に示す。励起(Luvantix 社 PC-373)でリコートを行った。

源として波長 1050 nm 発振の自作の Yb:FL

また、利得ファイバと FBG(HR)の融着点にを融着でつなぎ合わせてコア伝搬する励起おいては、インデックスマッチングジェル光を導入する構成である。1 次ストークス(Cargille Labs 社 0607)を用いて残留励起光光のみを線幅 1 nm の FBG(HR)と線幅 0.1を逃している。本構成ではコンバイナによnm の FBG(OC)で共振させる構成で、残留って励起光が制限され、最大出力がそれぞ励起光も同様に出射される。ラマンファイ

れ 5.47 W(励起パワー13.6 W) と 8.09 W(励バ長、OC の反射率は先行研究[4]を参考に起パワー14.0 W)を達成し、それぞれ作成した FRL の出力特性シミュレーション

Tm:ZBLAN ファイバ増幅器と FRL の励起用を行い、その結果を元にリン添加ファイバとした。

(FORC-Photonics 社

P-SM-5)を 400 m と決定した。本構成において、出力 4.03 W(励起パワー8.09 W)を達成した。
5

Slope efficiency: 71.02%
1220 nm

図 4: Yb:FL の P-I 特性長さの異なる同ファイバを用いた実験結果より、15 W 動作時に複数の縦モードがFSR 間隔で発振している LIMO 社製の LDと比較して BWT 社製 LD は温度変化に対しても周波数が安定であり、より高効率な励起が行われていると考えられる。
2.3

FRL の 開 発

Output power [W]4321050 nm
100246
Pump power [W]810

図 6: FRL の出力特性シミュレーション結果と実験結果の乖離が存在しており、これにはいくつかの要因が考えられる。シミュレーションが励起光、信号光の線形吸収を近似していることも要因ではあるが、大きな要因としてリン添加ファイバとシリカファイバの融着損失を考慮していないこと、HR 側の透過スペクトルの短波長側に非線形効果によるサイドバンドが存在することからも推測される、非線形効果による励起光及び信号光の影響を考慮できていないことが挙げられる。

図 5: ラマンファイバ長の決定(シミュレーション)

実際に高出力化する方法として、融着損失に対してはリン添加ファイバに直接 FBGを書き込む手法を用いることによって共振器内損失が低減され高効率化することが可能である。非線形効果に対しては、ラマンファイバ長を短く最適化することで高効率化が行えると考えられる。
3． 最 適 2 波 長 励 起 に よ る 高 効 率 化

図 8: Tm:ZBLAN ファイバ増幅器の増幅特性

４ ． 低 添 加 濃 度 Tm :ZBLAN 増 幅 器
Tm:ZBLAN ファイバにおいて我々が用
図 7: 2 波長励起実験系

いている様な 2 段階の励起方法を用いた青色発光等の先行研究において盛んに議論さ

まず、長さ 45 cm、添加濃度 15000 ppm

れているのがフォトダークニングという現の や や 短 い 長 さ の Tm:ZBLAN フ ァ イ バ

象 で あ る [5] 。 こ れ は 、 紫 外 光 に よ っ て(Fiberlab 社製)増幅器を用いて最適 2 波長にZBLAN ファイバがイオン化されてしまい、よる増幅特性の高効率化の実証を行った。

それに伴い主に可視光に損失を与えるカラWDM を用いて波長 1050 nm と 1220 nm をーセンターが生成される現象である。

合波して、以前とほぼ同様の自由空間からの後方励起の構成をとった。比較の為に単一波長励起を行い、結果として波長 1050 nmでは波長 1064 nm の増幅特性とほぼ同等、
波長 1220 nm のでは波長 1064 nm と比較し大幅に低い変換効率が確認された。2 波長励起実験においては波長 1050 nm 及び 1220nm のパワー比率を変化させ、最適条件を探しながら測定を行った。結果として、波長1050 nm を 4 W、波長 1220 nm を 1 W の合計 5 W 励起時において出力 252 mW を達成した。これは、1064 nm の同励起パワーにおける変換効率と比較し 50%の向上が見られたと言える。また、1064 nm では見られた飽和の様な効果の抑制が確認された。

図 9: Tm:ZBLAN の公差緩和と紫外発光

Tm:ZBLAN においては、用いたい 3H4の準位から、波長 1 µm 帯の光でもう 1 段励起した後に、イオン間相互作用の一種である公差緩和(クロスリラクゼーション)によって 1D2 まで励起されたイオンが基底状態に落ちることで 360 nm の紫外発光を得

い辛く、またフォトダークニングの損失にる。よって、今回は Tm3+を低濃度に添加しよって、出力が減少していると考えられる。

た Tm:ZBLAN ファイバ増幅器を用いることで、公差緩和の発生を抑制、それに伴う紫外発光及びフォトダークニングの抑制を試みた。今回は、これまでの研究で用いてきた 15000 ppm の 1/3 の添加濃度である5000 ppm のファイバを用いて増幅実験を行った。

図 11: 増幅特性の励起波長比率に対する変化

励起波長である、波長 1050 nm 及び 1220nm の比率ごとの増幅特性を図 11 に示した。
最適比率が波長 1050 nm が全体の 50−66%であると分かり。添加濃度 15000 ppm の際には波長 1050 nm が 80%程度で最適であ
図 10: 増幅特性の添加濃度による差ったため大きく比率が異なっていることが分かる。

図 7 と同様の構成で長さ 340 cm、添加濃ファイバ増幅器においては、固体レーザ

度 5000 ppm を用いて行った増幅実験におーの利得媒質の様に光線方向に利得等を一いて、波長 1050 nm のみを用いた励起の結様に近似することができず、その長い相互果を図 10 に示す。添加濃度 15000 ppm が作用長から分布を考慮する必要がある。

励起光に対して線形に増幅されているのにTm:ZBLAN における波長 1050 nm 及び対して、添加濃度 5000 ppm においては比1220 nm の吸収が異なることに加えて、励較的早い段階で飽和のような頭打ちが見え起光と信号光はお互いに関数であり、長手てくる。これは、添加濃度 15000 ppm にお方向における励起光強度や信号及び利得のいては、公差緩和が多く発生しており、3H4分布が存在する。よって、励起強度及び信→3F4 と 3H5→3F4 における公差緩和が、波号光強度、利得長などで最適比率が多少変長 1050 nm の吸収断面積が比較的小さい化すると考えられるが、公差緩和を抑制で基底準位から中間準位への遷移(①)においきている低添加濃度 Tm:ZBLAN の最適比て、アシスト的な効果を受けるからである

率が比較的 50%に近いことは今回の公差緩と考えられる。添加濃度 5000 ppm におい和による考察に矛盾しない。ては、公差緩和が抑制されアシストが減ったことで、図 1 に示した吸収断面積のように基底準位から中間準位への遷移(①)が行展望として、Tm:ZBLAN における青色の発光や波長 514 nm の光を用いたフォトブリーチングの検証、最適比率による増幅において 813 nm の出力 1.5 W の長時間動作達成、実験結果とシミュレーション結果を元に MOPA と FRL 励起に共通の Yb:FL を用いることで構成の小型堅牢化を行うことが挙げられる。

図 12: 出力 1 W 達成時の増幅特性

また、前方励起で波長 1064 nm の励起光によるアシストを行い、1050 nm: 5W,1064
nm: 3 W,1220 nm: 4 W の計 12 W 励起時において、1.07 W の出力を達成した。
5． ま と め
Tm:ZBLAN ファイバ MOPA の長期安定動作達成のため、従来の波長 1064 nm の 2段階励起に比べて吸収断面積の大きい波長1050 nm 及び 1220 nm の 2 波長を用いた 2段階励起を行い、効率向上を目指した。
波長 1050 nm の Yb:FL を 2 台作成し、出力 5.467 W( 励 起 パ ワ ー 13.6 W) を
Tm:ZBLAN ファイバ増幅器励起用、8.09W(励起パワー14.0 W)を波長 1220 nm のFRL 励起用とした。その後、FRL を作成し参考文献[1] Ushijima, Ichiro, et al. "Cryogenic
optical lattice clocks." Nature Photonics 9(2015) : 185-189.
[2] Androz, Guillaume. “Etude d'un laser à

fibre de ZBLAN dopée au thulium émettantdansleprocheinfrarouge.”

Diss.

Université Laval, (2010).
[3]http://forc-photonics.ru/data/files/P-SM-5(1).pdf[4] AuYeung, John, and Amnon Yariv.
"Theory of cw Raman oscillation in opticalfibers." JOSA 69.6 (1979): 803-807.
[5]Faucher, Dominic, and Ral Vallee.

"Real-timephotobleaching

andstable

operation at 204 mW of a Tm: ZBLAN bluefiber laser." IEEE Photonics Technology

Letters 19.2 (2007): 112-114.

最高出力は 4.03 W(励起パワー8.09 W)を達成し、波長 1050 nm 及び 1220 nm それぞれ発表実績の目標出力 4.5 W 及び 3 W を達成した。

[1] 久保貴志、梶川詠司、竹内裕一、河野健太、

Tm:ZBLAN 増幅器の高効率化実証を行い

武者満、“誘導ラマン散乱を用いた 2 波長励起

長さ 45 cm、濃度 15000 ppm で、波長 1064 nm

システムによる 810 nm 帯 Tm:ZBLAN ファイの 1 波長励起と比較し 50%の変換効率向上

バ MOPA の高効率化”、レーザー学会学術講が得られた。また、添加濃度の異なる

演会第 38 回年次大会、2018 年１月 25 日

Tm:ZBLAN 増幅特性を用いた比較を行い、[2]公差緩和やフォトダークニングの考察、励

M.Musha, ”New trapping light source for起 2 波長の出力比率による 813 nm の出力効

Sr OLC”, ERATO International Workshop,

率依存性を元に最適出力の考察を行った。

Tokyo, January 25-26, 2016

T.Kubo,E.Kajikawa,

Y.Takeuchi,