フォトニックバンドギャップファイバー増幅のためのナノ秒パルスファイバー光源の作製
白川研究室

1. はじめに八木澤大希

うに PBGF を設計し、コアに利得媒質を添加すれば、ファイバーレーザーは、高冷却性、低損失伝搬、SRS を抑えながら、信号光を増幅することができる。

高利得などの多くの優れた特徴を有している。その本研究では、PBGF のコアに希土類元素 Yb を添特徴から、高平均出力を得るのに適しており、近年加した、Yb 添加 PBGF 増幅に使用する、ナノ秒パ

では、ファイバーレーザーの高平均出力化を目指す

ルスファイバー光源の作製を行ない、その性能の検研究が盛んに行われている。しかし、ファイバーは討・評価を行った。

コア径が小さいため、ファイバー内を伝搬する光の強度が高くなり、非線形光学効果が起こりやすく、出力限界を決定してしまう。パルスファイバーレー
ザーでは、多くの場合、最初に出力限界を決めてし

2. 先行研究のパルスシード光源
本研究室の先行研究で作製された、パルスシード光源の構成を図 2.に示す。

まう非線形光学効果は、誘導ラマン散乱(SRS)である
ため、パルスレーザーの高出力化では、SRS を抑制することが重要である。SRS とは、入射光が物質を構成する分子の格子振動と相互作用することで、その振動数の分だけ、低周波数の散乱光(ストークス光)

図 2. パルスシード光源(先行研究)が発生し、その散乱光が増幅する現象である。そのSRS を抑制が可能なファイバーに、フォトニックバ

このパルスシード光源は、波長 1064 nm で CW 発ンドギャップファイバー(PBGF)がある。PBGF の断振するファイバーレーザーを、電気光学変調器

面図を図 1 に示す。

(EOM)を介して振幅変調し、CW 光をパルス状に切り出す構成となっている。このパルス信号光は、パルス幅 2 ns、繰り返し周波数 500 kHz であった。ファイバー増幅器を後段に組み、パルス信号光を増幅した結果、得られた平均出力は 0.9 W であった。しかし、増幅後のパルスには、パルス間に EOM で除去しきれなかった CW 成分や、増幅時に発生した増幅自然放出(ASE)成分が残留していた。その結果、主パルスとパルス間成分のコントラスト比はおよそ 1 :1 となり、平均出力のうち 1/2 ほどがパルス間の成分

図 1. PBGF の断面図

で、主パルスのピークパワーの低下を招いている問題があった。

コアを中心に、コアよりも屈折率の高い材料を周期的に配置している。その周期的な屈折率分布から、コア内に閉じ込める波長の光を制御できる。SRS で発生するストークス光を損失、信号光を透過するよ

3. パルスファイバーレーザー光源の作製
3.1. 本研究の目的
本研究では、パルス駆動型の分布帰還型半導体レーザー(DFB-LD)をパルスシード光源に使用した。
DFB-LD の発振波長は 1064 nm で、パルス幅は 2 ns

DFB-LD の平均出力は数 10 𝜇W と微力なため、1で、繰り返し周波数は可変である。

段目では、ASE を極力発生させずに増幅する必要が偏波保持 Yb 添加ファイバー(PM-YDF)を利得媒質ある。発生した ASE は、波長 1064 nm の光のみをとして用いて、3 段増幅のファイバー増幅器の構成透過するバンドパスフィルタ―(BPF)を用いて除去でパルス信号光を増幅した。その構成を図 3.1.に示した。
DFB-LD の繰り返し周波数 100、200、500 kHz、す。

1 MHz と変えたときの、励起出力に対する波長 1064nm での平均出力特性のグラフを図 3.3.に示す。

図 3.1. ファイバー増幅器の構成
ファイバーは全て PM ファイバーで、YDF の励起光には、波長 976 nm の LD を使用した。
本研究の目的は、シード光源をパルス駆動型

図 3.3. 波長 1064 nm での平均出力特性

DFB-LD に替えて、ASE 成分を可能な限り抑制しながら信号光を増幅し、高コントラストなパルスファ

図 3.3.に示すように、繰り返し周波数 500 kHz、1イバー光源を作製することである。増幅後の平均出MHz のとき、およそ励起出力 80 mW 以下では小信力の目標値は 1 W、ピークパワーの目標値は 1 kW号増幅しているが、励起出力 80 mW 以上にすると信に設定した。

号光の平均出力が飽和している。これは、ASE が支配的に増幅しているためである。そのため、励起出

3.2. 1 段目ファイバー増幅器
1 段目ファイバー増幅器の構成を図 3.2.に示す。

力 80 mW を最適な励起出力と評価した。そのときの平均出力の測定結果は、繰り返し周波数 500 kHz、1MHz でそれぞれ、2.2 mW と 4.3 mW を得た。繰り返し周波数 100、200 kHz の場合、パルスの周期が長くなり、ASE が成長しやすかった。そのため後段の測定では、繰り返し周波数は 500 kHz、1 MHz に絞り、実験を行った。

3.3. 2 段目ファイバー増幅器
2 段目ファイバー増幅器の構成を図 3.4.に示す。
図 3.2. 1 段目ファイバー増幅器の構成

繰り返し周波数 1 MHz でのピークパワーは、
𝑝𝑝𝑒𝑎𝑘 =107.7 mW= 53.8 W
1 MHz × 2 nsとなった。この算出結果から、繰り返し周波数 500kHz のとき、より高いピークパワーを得られたため、後段の増幅では、繰り返し周波数を 500 kHz、励起出力は 470 mW に固定し、実験を行なった。

3.4. 3 段目ファイバー増幅器
3 段目ファイバー増幅器の構成を図 3.6.に示す。
図 3.4. 2 段目ファイバー増幅器の構成
DFB-LD の繰り返し周波数 500 kHz、1 MHz と変えたときの、2 段目の励起 LD の励起出力に対する波長 1064 nm での平均出力特性のグラフを図 3.5.に示す。

図 3.6. 3 段目ファイバー増幅器の構成
最大励起出力 31 W の高出力 LD で、ダブルクラッド PM-YDF をクラッド励起し、信号光を主増幅した。信号光の平均出力は、波長 1020 nm 以上の波長の光を反射するダイクロイックミラー(DM)の反射光をパワーメーターで測定する手法を用いた。励起
出力 4.7 W のとき、平均出力 1.1 W が得られ、目標値を達成した。
このときのスペクトル特性を図 3.7.、
図 3.5. 波長 1064 nm での平均出力特性

パルス波形を図 3.8.に示す。

図 3.5.に示すように、励起出力に対して信号光の平均出力は、線形となり、飽和増幅している。
最大励起出力 470 mW での平均出力は、繰り返し
周波数 500 kHz のとき 93.5 mW、1 MHz のとき107.7 mW を得た。
パルスのピークパワー𝑝𝑝𝑒𝑎𝑘 は、平均出力𝑝𝑎𝑣 をデューティー比(DR)で割ることで求められる。
繰り返し周波数 500 kHz でのピークパワーは、
𝑝𝑝𝑒𝑎𝑘 =93.5 mW= 93.5 W
500 kHz × 2 ns

図 3.7. スペクトル特性(励起出力 4.7 W)

図 3.8.に示すように、励起出力が上がるにつれて、スペクトルが広がり、雑音が増えることが分かる。
励起出力 19 W 以上で、信号光よりも長波長側でスペクトルが広がっているが、これはラマン散乱が生じ、ストークス光が発生したためである。この結果から、励起出力を上げるほど、雑音が増え、コントラスト比が悪化することが分かる。
図 3.8. パルス波形(励起出力 4.7 W)

4. まとめYb 添加 PBGF での増幅に使用する、ナノ秒パル

図 3.7.のスペクトルから、ASE をほとんど抑制でスファイバー光源を作製した。先行研究で作製されきていることが分かる。中心波長 1064 nm のスペクていた光源は、増幅後の平均出力 0.9 W を得ていた

トル広がりは、非線形光学効果の自己位相変調が、その平均出力のうち 1/2 程度がパルス間の成分(SPM)によるものである。

が占め、コントラスト比が悪く、ピークパワー低下

図 3.8.パルス波形から、増幅後のピークパワーは 1を招いていた。そこで、本研究では高コントラストkW が得られ、目標値を達成した。パルス幅は 2 nsな光源を作製することを目的に実験を行なった。

で、パルスシード光のパルス幅を保持しながら増幅作製したファイバー光源は、YDF を利得媒質にフできたことが分かる。また、主パルスとパルス間のァイバー増幅器を 3 段組んで、パルス信号光を増幅ASE の割合は、1/4000 以下と見積もった。このことする構成である。増幅後の平均出力は 1.1 W、ピーから、平均出力に占めている ASE の割合は、1/5 以

クパワー1 kW を得られ、平均出力に対する ASE の下であると評価した。

割合は 1/5 にまで抑制でき、先行研究に比べ、高コ先行研究で開発したパルスファイバー光源の平均ントラストな光源を作製することができた。

出力に占めている ASE の割合は、1/2 ほどであった。
よって、本研究のパルスファイバー光源は、先行研

5. 参考文献

究と比較して、高コントラストな光源を作製するこ[1] Headley, Clifford, et al. "Accurate Measurement ofとができた。

Pulse Power in Low Duty Cycle MOPA." Conference on

励起出力 4.7 W からさらに上げたときのスペクトル特性を図 3.9.に示す。

Lasers and Electro-Optics. Optical Society of America,(2005).
[2] 鈴木悠太，フォトニックバンドギャップファイバーによる誘導ラマン散乱抑制パルス増幅，電気通信大学修士論
文，(2013).
[3] Taru, Toshiki, et al. "Raman gain suppression in
all-solid photonic bandgap fiber." ECOC 2007 (2007).

図 3.9. 励起出力ごとのスペクトル