単一モードファイバーDFB レーザーの開発
電子工学専攻

植田研究室

渥美貴之

概要
重力波検出用光源(fiber-MOPA)の主レーザーである NPRO に替わる主レーザーとしてファイバーDFB レーザーの開発を目指す。
まず、位相マスク法による透明ファイバーへの FBG の書き込みを行い、フルエンスに対する FBG の透過率依存性を測定した。続いてコア中に利得媒質である Yb が添加されたファイバー中にファイバーDFB を作製し、ファイバーDFB レーザー発振実験とその評価を行った。
1.

2.

はじめに

ファイバーDFB レーザー

重力波検出用光干渉計には高安定、高出力の光源

ファイバーレーザーには、ビーム品質がよい、冷が必要とされており、当研究室では、fiber-MOPA却効率が高い、狭線幅等の特長がある。一方、共振(Master Oscillator Power Amplifier)による光源開器長が長いために、マルチ縦モード発振してしまう発を行っている。という問題がある。そのためファイバーレーザーのfiber-MOPAとは、図 1に示すような安定な主レー 単一縦モード化には、さまざまな工夫がされている
ザーをファイバー中で増幅させるシステムであり、が、構成が大変複雑である[2]。そこで構成が簡単で現在、fiber-MOPAの主レーザーには発振波長1064かつ安定に単一縦モード発振可能であるファイバーnm、500mW出力の半導体レーザー励起モノリシッDFBレーザーを選択した。ファイバーDFBレーザー

ク型Nd:YAGレーザー(NPRO)を使用している。しか とは、アクティブファイバー(コア中に利得媒質であし、主レーザー光を自由空間で一度ファイバーに結る希土類が添加されている)中に書き込まれた回折格合する必要があるため、安定性の面で問題がある。

子構造(FBG:Fiber Bragg Grating)により発振する

そこで、主レーザーにファイバーレーザーを用いるレーザーである。ファイバーDFBレーザーは、単にことでオールファイバーMOPAシステムが構築可能

均一なFBGを形成しただけではレーザー発振はブラとなり、より一層の光学系の小型化、機械的安定度

ッグ波長で起こらず、ブラッグ波長から少し離れた2の向上が見込まれる。

つの周波数で発振してしまう。そこで、図 2(b)のよ本研究ではNPROに替わる主レーザーとして、単うにFBGの中心部分に位相シフト領域を設けること一モードかつ狭線幅の発振が得られるファイバー分でブラッグ波長のみで単一縦モード発振可能となる。

布帰還型(DFB:Distributed Feedback)レーザー[1]の開発を目指す。将来的にはスペース重力波アンテナ

pump lightactive fiber Ge doped in core

(DECIGO)への応用も検討中である。

(a)λ/4 shift不安定主レーザー(1064nm,500mW)
NPRO

λ/2

HR@1064nm
HT@975nm

975nm
fiber coupledLDEOM

pump lightactive fiber Ge doped in core

Yb添加DCFファイバー増幅器

(b)
図 1

図 2

fiber-MOPA システム

ファイバーDFB レーザー概念図(a)DFB レーザー (b) λ 4 シフト DFB レーザー13.

位相マスク法による FBG 作製

透過光を光スペクトルアナライザ（安藤電機、波長FBG の代表的な作製方法には位相マスク法、2 光分解能 0.01nm）で測定した。位相マスクの破壊閾値

束干渉法の 2 つの方法がある。本研究では安定的作は 1J/cm2 であり、屈折率変化の閾値を測定したとこ製可能、量産性に優れるという点から前者による方ろ、フルエンス閾値（1 パルスあたりのエネルギー密法を採用した。

度）は 40mJ/cm2 であった。

位相マスク法とは UV 光の±1 次回折光の干渉をλ/2利用し、ファイバーコア中に屈折率変化を書き込む方法である。作製概念図を図 3 に示す。得られる

H.S.:Harmonic Separator

H.S.
1064/532

FBG の反射波長 λ B は位相マスクのグレーティング

β-BaB2O4(10mm×10mm×2.77mm)

周期によって下式ように決定される。

H.S.
532nm/266nm

λ B = 2neff Λcylindricallens
fiber

neff :ファイバーの実効屈折率

Λ :グレーティング周期

Phase mask
Nd:YAG Q-switch Laser
plano-concave(4.5W@1064nm,2.4W@532nm,10Hz) cylindrical lensΛ pm :位相マスクのグレーティング周期 (= 2Λ )図 4

FBG 作製実験構成図

UV

フルエンス 200mJ/cm2 における FBG 透過スペクΛ pm

トルの時間的変化を図 5 に示す。照射時間 50 分に

phase mask
UV

おいて、中心波長 1556.22nm、半値全幅(FWHM,FullWidth at Half Maximum)0.28nm 、 最 大 反 射 率

Λ10.8dB が得られた。照射時間とともに、中心波長が長波長側にシフトし、反射率も増加していくことが分かる。中心波長が長波長側にシフトしていくのは、

図 3

屈折率変化に伴い、有効屈折率 neff が増加したためで位相マスク法による FBG 作製概念図ある。また、照射時間とともに、反射率の増加が鈍FBG 作製実験図を図 4 に示す。露光光源には波長 くなり、10dB 付近で飽和していることが見てとれる。
1064nmNd:YAG Q-switch レーザーの第 4 次高調波
5266nm を使用した。非線形結晶にはβ-BaB2O4 結晶0を用いている。

-5

まず、長さ 1cm、Λpm=1069.60nm の位相マスクを-10使用し、透明ファイバーGF4A(GeO2 濃度 30wt%)に-15FBG の書き込みを行い、FBG 作製の条件だしを行っ-20た。ビーム径(Φ2mm)は、ファイバーに対して水平方-251555.5

向は円筒面平凹レンズ(f=-100mm)によりひろげ、フ図 5

ァイバーに対して垂直方向は円筒面平凸レンズ

t=2mint=6mint=10min
t=30min
t=50min15561556.5
Wavelength(nm)1557FBG 透過スペクトル(f=200mm)により絞って位相マスクに入射している。 (フルエンス 200mJ/cm2,10.8dB,FWHM=0.28nm)
ファイバーと位相マスクとの距離は約 400µm とし、2

続いて、フルエンスを 400mJ/cm2、500mJ/cm2 と 4.

ファイバーDFB レーザー3 章での結果を参考に、長さ 2.5cm、Λpm=731.70nm

変化させた時の FBG 透過スペクトルの時間的変化を図 6 に示す。フルエンス 400mJ/cm2、500mJ/cm2 の 位 相 マ ス ク を 使 用 し 、 ア ク テ ィ ブ フ ァ イ バ ーにおいて、それぞれ FWHM=0.26nm, 0.85nm、最大 (Yb-fiber)中へのファイバーDFB の書き込みを行った。フルエンスは 700mJ/cm2 とし、UV 光の走査の反射率 16.4dB,22.9dB の FBG が得られた。の仕方を(a)ステップ掃引、(b)連続掃引としたところ、

5500

図 8 のようなスペクトル構造のことなる 2 つのファ-5-5イバーDFB が形成された。(b)の DFB2 は透過スペクトルがきれいであり、屈折率変化が均一に近い FBG-10-10t=3min
t=5mint=10min
t=20min-15-15-20-20-251556

1556.51557
Wavelength(nm)t=3mint=10min
t=20min
t=30min
t=40min1557.5-251555.5

1556
1556.51557
Wavelength(nm)が形成されたと予想されるのに対し、(a)の DFB1 はスペクトルに構造が見られ、屈折率変化のプロファイルに構造が見られることが予想される。

1557.55(a)(b)
図 6FBG 透過スペクトル(a)フルエンス 400mJ/cm2,16.4dB,FWHM=0.26nm(b)フルエンス 500mJ/cm2,22.9dB,FWHM=0.85nm

500-5-5-10-10-15-15-20-20-25-25-301064.6 1064.8 1065 1065.2 1065.4 1065.6
Wavelength(nm)図 5、図 6 より、ドーズ（全照射エネルギー）の変化に伴う FBG の反射率、屈折率変化の推移をまと-301064.2 1064.4 1064.6 1064.8 1065 1065.2
Wavelength(nm)(a)
図 8めたのが図 7 になる。また、この結果は、それぞれ(b)

ファイバーDFB 透過スペクトルのフルエンスにおいて 2 度測定し、その平均をとっ(a)ファイバーDFB1,25dB,FWHM=0.39nmている。図 7 よりそれぞれのフルエンスにおいてあ(b)ファイバーDFB2,29.6dB,FWHM=0.25nm

る一定ドーズにおいて FBG の反射率および屈折率変化が飽和しているのが見てとれる。したがって、上図で得られたファイバーDFB を用いて、ファイ最終的に得られる FBG の反射率はドーズではなくバーDFB レーザー発振実験を行った。実験配置図をフルエンスによって決定することが分かった。同時

図 9 に示す。励起光源には波長 975.4nm、200mWに 1cm の位相マスクで高い反射率（>20dB）の FBG 出力の半導体レーザーを使用し、WDM ファイバーを得るためには、フルエンスを 500mJ/cm2 以上にす カップラー(975/1064nm)を用い、Yb-fiber を励起しる必要があることが分かった。ている。ファイバー端面によるフレネル反射(4%)を防ぐために、Yb-fiber の端面にはインデックスマッ

0-52 10-41.5 10-4

1 10-4

5 10-5200mJ/cm^2400mJ/cm^2500mJ/cm^2チングオイルをぬり、出力ポート 1 側には 1064nm

200mJ/cm^2400mJ/cm^2500mJ/cm^2用のアイソレーターを融着した。

-10-15-20-250 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Total Exposure Dose(J/cm^2)

0 10

pump@975nm
Yb-fiber 6cm

00 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Total Exposure Dose(J/cm^2)

Port1

fiber DFB (2.5cm) WDM coupler
isolator
975/1064
index matching oil

図 7 ドーズに対する FBG 透過率･屈折率変化依存性

図 93

ファイバーDFB レーザー発振実験配置図

-3

ファイバーDFB1使用時の発振スペクトルと出力10Relaxation oscillation frequency,240kHz

特性を図 10(a)(b)に示す。励起パワー45mWにおいて-450µWの出力を得ることができた。
-10-20-40-50-51050-610-1040-20-30Fiber DFBNPRO10発振を確認し、最大励起パワー66mWにおいて、-3030-40-710-50-601064-60201064.2 1064.4 1064.6 1064.8
Wavelength(nm)

-80
1000

10201040 1060 1080
Wavelength(nm)11000401011045(a)図 10Relaxation oscillation frequency,800kHz-810-70505560
Input Power(mW)

6570(b)

図 12

ファイバーDFB1 使用時における210345101010Frequency(Hz)610710

ファイバーDFB レーザーの相対強度雑音(赤線)と他レーザーとの比較(NPRO:青線,半導体 DFB(a)発振スペクトル (b)出力特性

レーザー:緑線,単一周波数ファイバーレーザー:黒線)
図 12 より、ファイバーDFB の緩和振動周波数のピ

図 11に示すように自己遅延ヘテロダイン法により、線幅の評価を行った。遅延ファイバーには300 m ーク値が NPRO に比べ、急峻になっているのが見てのHI-1060を使用(τ=1.5µs、分解能300kHz)した。

とれる。これは、ファイバーDFB レーザーは高 Q 共自己遅延ヘテロダイン法では線幅が2倍となること振器が構成されているためだと考えられる。また、と、得られたビート信号が分解能である300kHz以下 雑音レベルは NPRO と比較すると 1 桁から 2 桁程悪くなってしまっているが、半導体 DFB レーザー（緑であったことから、得られたレーザーの線幅は150kHz以下であるということが分かった。尚、信号には 線）や単一周波数ファイバーレーザー（黒線）と比ファイバーMOPAによって50µWから約1mWに増幅較すると同程度の雑音レベルであるということが分したものを使用した。

かった。
次に、ファイバーDFB1からファイバーDFB2に変10更し、同様の実験を行ったところ、最大励起パワー

0fiber(300m)-10においても発振を確認することができなかった。こ-20×-30-4079.98の理由をDFBレーザー発振条件から考察する。
均一なFBGのκL(FBGの反射率に相当する係数)に8080.02
Frequency(MHz)

信号(1064nm)

f=200mm

3dB coupler

図 11f=200mm

AOM80MHz

対するそれぞれの閾値利得理論値を図 13の青線にBS示す[3]。Yb-fiberのシングルパスゲインは、小信号利得計測により1.6dBであることから、均一なFBG

PD

使用時に、発振に必要なκLは5.1(39dB)となり、ファイバーDFB1,2は共に発振条件を満たしていないこ

自己遅延へテロダイン法によるとが分かる。

線幅測定実験構成図と得られたビート信号

そこで、ファイバーDFB1は均一なFBGではなく、続いて、相対強度雑音を測定した。結果を図 12に π /2位相シフトFBGであると考えた。均一なFBGは位相不整合により、ブラッグ波長から少し離れた2つ示す。の周波数で発振してしまうのに対し、π/2位相シフト
FBGは位相整合がとれ、ブラッグ波長のみで発振す4るため、発振閾値が低くなる。π/2位相シフトFBG使

図 15(a)(b)に発振スペクトルと出力特性を示す。

用時の閾値利得理論値を図 13の赤線に示す[4]。図励起パワー35mWにおいて発振を確認し、最大励起13からπ/2位相シフトFBG使用時に必要なκLは3.6

パワー72mWにおいて、最大出力280µWを得ること(25dB)となり、ファイバーDFB1はこの理論値を満た ができた。しかし、出力は不安定であり、約30%程している。よって、ファイバーDFB1は均一FBGでは 度変動していた。これは、熱による位相シフトを引なくπ/2位相シフトFBGが形成されたために、発振が き起こしているため、熱が平衡状態になることは難起こったと考えられる。図 8のFBGのスペクトルかしく、常に位相シフト量が変動してしまうためだと

らファイバーDFB2はスペクトル構造がきれいであ考えられる。

るのに対し、ファイバーDFB1はスペクトルに構造が-10見られることからも、DFB1は位相シフトFBGである-203000-10250-20-30と考えられる。

-40-50-605-30200-50150-60-701064.21064.41064.61064.8 10651065.2
Wavelength(nm)10050-70-80
1000410201040 1060 1080
Wavelength(nm)uniform grating

31100(a)π/2 phase shift

図 152

fiber DFB1
fiber DFB2

-4000102030 40 50 60
Input Power(mW)

70(b)

ファイバーDFB2 使用時における(a)発振スペクトル (b)出力特性

1.6100

図 1323.6 4

5.1 6

κL8

図 15 より、ファイバーDFB2 はファイバーDFB110と比べ、発振閾値が低下し、出力（スロープ効率）ファイバーDFB レーザー発振条件が増加していることが見てとれる。これは、ファイバーDFB1 は λ 4 に相当する位相シフト量でなかっDFBレーザー発振条件より、ファイバーDFB2も位 たのが原因だと考えられる。また、ニクロム線のあ相シフトすることで発振可能である。よって、発振てる位置を変化させたところ、中心から±2mm の範が起こらなかったファイバーDFB2の中心部分をニ囲で発振可能であった。

クロム線によって加熱することで、屈折率の上昇（位続いて、熱による位相シフトではなく UV 光照射相シフト）を引き起こし、発振閾値の低下を試みた。

実験構成図を図 14に示す。実験構成図はニクロム線 による位相シフトを試みた。これが可能となれば出で加熱すること以外図 9と全く同様である。尚、ニ力が不安定であったファイバーDFB2 の問題点も解

クロム線はΦ200µmを使用した。

消できる。まずは、PS1060(GeO2 濃度 10-12wt%)という透明ファイバーに書き込まれた FBG の中心1.2cm
index matching oil
ファイバーDFB2(2.5cm, 29.5dB)

部分に UV 光をあてることで、 λ 4 シフトグレーテ

ZTemperature pump@975nm,200mW
distributionIィングを作製した。FBG の透過スペクトルの変化を
図 16(a)(b)に示す。図 16 から、UV 光の照射により、

WDM coupler isolator
975/1064

スペクトル幅が増加しながら、反射率が低下していくのが見てとれる。これは、屈折率変化に伴い反射

Nichrome wire

図 14モードから透過モードへと移行していくため実効的熱による λ 4 シフトファイバーDFB レーザ

な FBG の長さが短くなったためである。UV 照射 11ー発振実験構成図分以降、再び反射率が増加していく。これは、位相580

シフト量が λ 4 以上になったことを示しており、UV
照射時間 11 分において λ 4 シフトグレーティング 5.

重力波検出用光源の主レーザーである NPRO に替が形成されたことを確認することができた。
5500-5-5-10-10わるファイバーDFB レーザーの開発のために、以下のようなことを行った。

反射率の増加①位相マスク法による透明ファイバーへの FBG の書き込みを行った。UV 光のフルエンスに対する

before5minutes-15-1510minutes-20-2511minutes

反射率の低下20minutes

FBG の反射率はドーズではなくフルエンスによって-251063.4 1063.5 1063.6
Wavelength(nm)1063.7(a)
図 16

FBG の透過率依存性の測定し、最終的に得られる15minutes-20-301063.3-301063.3

まとめ、今後の展望1063.4 1063.5 1063.6
Wavelength(nm)1063.7(b)決まることを示し、FBG 作製技術を構築した。
②アクティブファイバー(Yb-fiber)中へのファイバ

UV 光照射位相シフトによる FBG 透過スペ ーDFB の書き込みに成功した。

クトルの変化③ファイバーDFB レーザー発振実験とその評価を行照射時間(a)0-11 分(b)15-25 分った。出力 50µW、線幅 150kHz 以下、半導体 DFB以上のことを参考に UV 光照射による λ 4 シフト レーザーらと同等の相対強度雑音レベルである単一ファイバーDFB レーザー発振実験を行った。ファイ 周波数 Yb ファイバーDFB レーザーを開発した。
バーDFB には図 17(a)に示すファイバーDFB3 を使

現状では、熱による位相シフトには成功したが、用し、最大励起パワーにした状態でファイバーDFB UV 光照射による λ 4 シフトファイバーDFB レーザの中心部分に UV 光を照射していった。

ーの開発には到っていない。今後は、ファイバーDFB照射時間に伴うスペクトルの変化を図 17(b)に示 に照射するフルエンスの最適化や屈折率変化の大きす。図 17(b)より、スペクトル構造の変化（屈折率の い Yb-fiber をすることで UV 光照射による λ 4 シフ変化）は見られたが発振には到らなかった。この原 トファイバーDFB レーザーが開発可能であると考え因としては位相シフト量の不足とバックグラウンド られる。また、グレーティング長を長くすることでロスの増加が考えられる。特に後者の問題が大きく、 高出力化も可能である。
ファイバーDFB レーザーには Ge、Yb 共に濃度の高 参考文献
[1]M.Sejka,P.Varming,J.Hubner and M.Kristen

い特殊なファイバーが必要であることが分かった。

sen, Electron.Lett., 31, 1445-1446(1995).

-58

50before
5minutes
t=10minutes
t=15minutes
t=25minutes

-59

-5

[2]S.Huang,Y.Feng,J.Dong,A.Shirakwa,M.Musha-60

and K.Ueda,Laser Phys.Lett.,2,498-501(2005).

-61[3]H.Kogelink and C.V.Shank, J.Appl. Phys, 43,-622327-2335(1972).

-10-15-20-63-25-30

1064.61064.81065
Wavelength(nm)(a)

1065.2-64[4]Shinji Yamashita and Gregory J.Cowle,J.Light
wave Technol.17,509-513(1999).

1064.6 1064.8 1065 1065.2 1065.4
Wavelength(nm)(b)

図 17(a)ファイバーDFB3,28.6dB,FWHM=0.32nm(b)UV 光照射によるスペクトルの変化

6