W 型屈折率分布 Tm ファイバーを用いたモード同期レーザーの開発
戸倉川研究室 佐藤匠
光ファイバーの分散性を説明するために、

1 はじめにモードの伝搬定数 β を中心周波数 ω0 のまわり

近年、高エネルギーな 100 fs 以下の超短パルでテイラー展開すると次式のようになる [4]。

ス光を得る方法として、散逸ソリトンモード同帯において異常分散を示すため、正常分散を有ωc= β0 + β1 (ω − ω0 )1+ β2 (ω − ω0 )22
1+ β3 (ω − ω0 )3 + · · ·6
ただし m = 0, 1, 2, . . . として、
[ m ]d ββm =dω m ω=ω0する利得ファイバーを用いたモード同期レーである。パラメータ β1 、β2 は屈折率 n とそのβ(ω) = n(ω)

期や全正常分散 (ANDi) ファイバーレーザーが大きな注目を集めている。これはソリトンやストレッチパルスなどの状態に比べ、よりファイバー中、特に利得ファイバー中での非線形光学効果の抑制、制御が可能であり、より高いエネルギーのパルスが得やすい [1]。しかし、一般的に用いられるシリカファイバーは波長 2 µm(2)導関数に関連付けられる [4]。

ザーの開発は困難であった。我々はシリカファ

[]
1dnng
1
β1 =n+ω==cdωcvg

イバーの代わりにフッ化物ファイバーを用いることによって波長 2 µm 帯で初めての ANDi

(3)[]
1 dnd2 n2+ω 2c dωdω(4)23ωd nλ d2 n≃≃c dω 22πc2 dλ2
ここで ng は群屈折率、vg は群速度である。β1レーザーを実現することに成功している [2]。

β2 =しかし ZBLAN ファイバーは低機械強度、潮解性といった扱いづらい点も有している。そこで本研究では ZBLAN ファイバーの代わりに、波長 2 µm 帯において正常分散を示す W 型屈は群速度の逆数になっており、単位長当たりの折率分布による分散制御シリカガラスファイ伝搬遅延時間を表すため、群遅延時間と呼ばれバー [3] を使用した、非線形偏波回転によるソる。β2 はパルスの広がりを決めるもので、群リトンモード同期レーザーの開発を行った。

速度分散 (GVD) である。

2 原理
2.1(1)

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 で波長分散あり、群速度分散 β2 と D の間には次の関係が波長分散とは、光波の位相速度が波長に依存ある [4]。

することをいう。光パルスが分散の影響を受けるとパルス形状の変化、パルスの広がりを起こ

D=してしまう。

12πcdβ1= − 2 β2dλλλ d2 n(ω)≃−c dλ2(5)2.1.1材料分散

図 3 シリカ系光ファイバーの全分散波長依存性 [4]り小さくなるため、光ファイバーの全分散は材

図 1 シリカガラスにおける屈折率の波長依存性 [4]

料分散に加えて導波路からの影響、導波路分散も付加する必要がある。導波路分散はコアの半径や比屈折率差 ∆ などの値によって決まる。
図 3 に全分散の波長依存性を示す。
この図からわかるように、導波路分散の影響で全分散は材料分散よりも長波長側にシフトしている。これによりゼロ分散波長は、典型的な光ファイバーで λD = 1.31 µm となる。
2.1.3

群速度分散

一般的な光ファイバーにおいては、群速度分

図 2 シリカガラスの材料分散による散 β2 または分散パラメータ D の符号によっ

群速度分散 β2 の波長依存性 [4]て分散の効果は異なる。β2 > 0 を満たす場合、

図 1、2 にシリカガラスの屈折率 n、群屈折

波長 λ は λ < λD であり、正常分散となる。正率 ng 、群速度分散 β2 の波長 λ に対する依存性

常分散では、光パルスの低周波数 (長波長) 成を示す。図 2 の λD において分散が 0 になって分は高周波数 (短波長) 成分よりも速く伝わる。

いる。シリカガラスでは λD = 1.27 µm 付近でまた β2 < 0 を満たす場合、波長 λ は λ > λDあり、ゼロ分散波長と呼ばれる。このように媒であり、異常分散となる。異常分散では、光パ質の屈折率から導かれる分散は材料分散と呼ばルスの低周波数成分は高周波数成分よりも遅くれる。ただし、λ = λD で分散がなくなるわけ伝わる。

ではなく、(1) 式で 3 次の項を考慮する必要が2.2ある。この高次の分散により超短パルス光は歪型屈折率分布による分散制御

本研究で使用した Tm ファイバーの屈折率んでしまうが、高次の分散を考慮しなければい

分布を図 4 に、分散曲線を図 5 に示す。一般的

けないのは、パルス幅が狭い場合である。

2.1.2Wなステップインデックスに比べ、コアサイドに低屈折率のディップが存在している。ここへコ導波路分散

アを伝搬する光が染み出すことで、実効屈折率光ファイバーは誘電性のある導波路のため、が低下する。この際長波長の光ほど染み出しがモード屈折率の有効値が物質の屈折率 n(ω) よ2図 6 非線形偏波回転によるモード同期概念図する 2 成分に位相の変化が生じる。この偏光状態の強度依存性を利用してモード同期を得るのが、非線形偏波回転である。図 6 に非線形偏波

図 4 W 型屈折率分布 [3]回転を用いてモード同期を得る概念図を示す。
光ファイバーを伝搬したパルス光は自己位相変調により、光強度の強いパルス成分と光強度の弱い CW 成分の偏光回転量が異なった状態で出射される。このパルス光を波長板と PBSを透過させる。このとき波長板を調整することで、PBS において CW 成分にパルス成分よりも大きな損失を与える。これにより疑似的な高速可飽和吸収体効果が得られる。したがって、CW 成分の発振は抑制されパルス成分でのみ

図 5 W 型屈折率分布をもつファイバーの分散曲線 [3]発振が起こりモード同期動作を得ることができる。

大きく、より実効屈折率が低下する。これによ3 非線形偏波回転によるモード同期り正常分散効果が得られる。シリカガラスファ
イバーにおいても正常分散を得ることは可能だ

3.1が、コア径を 3 µm 程度にしなければならなく、実験構成

実験構成を図 7 に示す。前述の Tm ファイ

これは高エネルギー動作には向かない。しかしバーを波長 1.55 µm の Er:Yb ber MOPA で

この Tm ファイバーではコア径が約 6 µm と倍WDM を通し後方励起している。より大きな非線形光学効果を得るために Tm ファイバーの前方に SMF28 を 10 m 融着した。ファイバー程度の大きさで正常分散が可能となっている。
分散値は線引き後の径に強く依存し、本研究では OD 値（クラッド径）が 145 µm のものを使用した。また ZBLAN ファイバーとは異なりシリカガラスファイバーであるため、機械強度が高く、融着が容易で全ファイバー化も可能であると考えられる。

2.3

非線形偏波回転パルスが光ファイバー中を伝搬すると、自己図 7 非線形偏波回転モード同期実験図

位相変調と相互位相変調により偏光成分の直交

3部両端にはアングル研磨の SMF28 を融着し寄生発振を抑制している。偏光依存性アイソレー
タを入れることによって、反時計回りのリング共振器とし、出力はアイソレータ中の PBS から取り出される。上述の共振器構成のもと、波長板を調整することによって非線形偏波回転によるモード同期動作を試みた。
3.2

図 10 シングルパルス動作時のスペクトル

実験結果

励起パワーを上げ波長板を調整したところ、を仮定した場合〜800 fs と考えられる。またス

平均出力が 37.5 mW 時にマルチパルス状態のペクトル中にソリトンモード同期の特徴であるモード同期が得られた。その状態で励起パワーケリーサイドバンドが確認できた。これによっを下げたところ、平均出力が 12.3 mW 時にシて短パルス化が制限されていると考えられ、共ングルパルスでのモード同期動作を得ることに振器長と分散値を減らすことにより、さらなる成功した。モード同期動作時のパルストレインを図 8、9 に示す。 シングルパルス時の繰り返短パルス動作が得られると考えられる。

し数は〜11.9 MHz、パルスエネルギーは〜1 nJ

4 まとめと推定される図 10 にスペクトルを示す。中心W 型屈折率分布分散制御 Tm ファイバーを波長は 1953 nm、スペクトル幅は〜5 nm、スペ用いたモード同期レーザーの開発に成功した。

クトル幅から推定されるパルス幅は、Sech2 型

今後は SMF28 の長さを減らし 0 分散に近づけることによって、スペクトル幅の広帯域化、短パルス化を目指す予定である。

参考文献[1] Andy Chong, et al, "All-normal-dispersion
femtosecond ber laser with pulse energyabove 20 nJ", Opt, Lett 2408-2411 32, 2007
[2] H. Sagara, A. Suzuki, and M. Tokurakawa, "Two micron All-normal-dispersion
NPR mode-locked Tm:ZBLAN ber laser,"ASSL2018 Boston, USA, ATu2A.25[3] Yuhao Chen, et al, "Normal dispersion
thulium ber for ultrafast near-2 m berlaser," CLEO 2018
OSA 2018µ

図 8 パルストレイン (20 s/div)©

µ[4] 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

図 9 パルストレイン (1 ms/div)

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