高出力 1178nm 単一周波数光源の開発
電子工学科
1.

序論

植田研究室 陳明晨

ネルギーの拡大や状態密度関数の階段を生じたり、波長 589nm のレーザーは、高分解能分光、原子冷DH 構造とは異なる利得スペクトルや偏波依存性を却に用いられる。さらに、この波長は Na の D2 線か持たせることができる。これは発振波長域の拡大やらの発光でもあり、大気中の Na 層の温度測定やレー閾値電流密度の低下を可能とした。さらに格子定数ザーガイドスターの生成にも応用されている。589nmの不整合を利用した量子ドットの成長技術によって、で発振させる方法として、現在、実用的に用いられ3 次元的な量子井戸の形成が可能となり、これらの特ているのは、固体レーザーである Nd:YAG レーザー性をさらに顕著にすることができている。の 2 つの発振波長 1064nm と 1319nm の和周波発生

本実験でも、1178nm に高い利得を持つ、量子ドッ(SFG)を用いる方法である。この方法では SFG 結晶にト型の半導体レーザーを用いた。

リング共振器を組むことによって 50W 以上の出力パワーが得られている。ただし、単一周波数発振のために注入同期やリング共振器を常に電気的に制御する必要があり、装置が非常に複雑であった。またファイバーラマン増幅器を用いた波長 1178nm の第 2 高調波発生による方法では 25W の出力が得られている。さらにこのファイバーによる装置は安定であり、コンパクトで利点が多い。我々の研究室では、同じ
第 2 高調波発生による方法だが、希土類元素である

Fig. 1

Yb を添加させたフォトニックバンドギャップファイバー（Yb-PBGF）による光増幅で高出力の 1178nm のECLD0光を得る研究を行っている。1178nm に利得を持つ媒質はほとんどなく、Yb でも利得スペクトルのかなり

200mA
300mA
400mA
500mA
600mA
700mA
800mA
900mA

Intencity [dB]-20

すその方に位置している。小信号利得では 10W 励起時では 1030nm 付近に 80dB 以上高い利得がある。通常であれば高利得域で発生する ASE によって信号光増幅の効率が著しく低くなってしまう。そこで PDFGは利得スペクトルを制御することができるとして注-40-60-80目されている。増幅の光源には外部共振器型半導体
1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400レーザー（ECLD）を用いた。これは波長可変や狭線

Wavelength [nm]幅の単一周波数が容易に得られるためである。本研
Fig. 2究では、ECLD の開発と Yb-PDFG での高効率増幅を行うため、飽和増幅パワーである 1.8W を目指した高波長可変を可能とするため、一般的な LD ではファ出力化を行った。
2.

アングルファセットの出力光スペクトル

ブリー･ペロー（FP）共振器としてレーザー発振に利用している 30%程度ある LD チップ端面でのフレネ原理

ル反射を、無反射（AR）処理を施して 3%程度に抑え半導体レーザーでは、ダブルヘテロ（DH）構造にている。しかし、半導体レーザーでは非常に高い利よって、キャリア閉じ込めと光閉じ込めの両方を行得を持つため 3%の反射でも自身でのレーザー発振をうことで CW のレーザー発振を可能としてきた。ま抑えることが難しい。そのため LD チップの片側はブた不純物半導体の材料の組み合わせによってバンドリュースター角での出射となるよう端面に対してビギャップエネルギーを変えることができ、さまざまームは 73°の斜出射となっている。LD チップの出射な発振波長が得られている。さらに活性層の厚さを光パワーは反射率 3%のノーマルファセットでは弱く数十 nm オーダーまで小さくすることによって、活性数 mW 程度である。一方斜出射のディープ AR であ層の両端面で 2 次元の量子井戸を形成することがでるアングルファセットでは、注入電流を上げることきる。この閉じ込め効果から実効バンドギャップエで 200mW 以上の出力パワーが得られる。この出力光1

は Fig.2 にあるように広いスペクトルを持つ。

250

次回折光を入射光と同軸に回折させることができる。
波長と入射角の関係は次式である。

2sin  (1)N

アングルファセットの出力光を、波長選択性を持

Output Power [mW]

回折格子をリトロー配置で用いることによって、1Waveplate incide
Without waveplate200
15010050

つ回折格子で LD チップにフィードバックすること

0で、3%ある端面反射と回折格子とで FP 共振器を構成

0100200している。このような外部共振器では、共振器長を短くできるため、縦モード間隔が広く単一周波数発Fig. 3振に適している。

 c
LO

Intensity [dB]

さらに、回折格子の波長分解能によって回折効率のスペクトル幅が決まる。

mW  N800

ECLD の出力パワー-50-60-70-80(3)-90m は回折次数、W は回折格子上でのビームの幅、N-1001177.71178.01178.3
Wavelength [nm]は回折格子の溝本数である。アングルファイセットの出力光スペクトルが回折効率のスペクトルの重なFig. 4る部分で引き抜かれ LD にフィードバックされるため縦モード間隔が回折効率のスペクトル半値幅と同ECLD の出力光スペクトル

OSA での-3dB の全幅は 0.02 程度となった。OSA程度であれば発振を単一周波数化できる。実際に作の分解能の限界付近であるため、正しく測定できて製 し た ECLD の 縦 モ ー ド 間 隔 は 波 長 で 表 す と 、いないと考えられる。そこで正しく線幅を評価する

=0.015nm、回折格子の波長分解能g=0.041nm でため、遅延自己ヘテロダインを用いて線幅の測定をある。
3.

700

100mA
300mA
500mA
700mA

-40



600-30(2)LO  n S LS  nair Lair g 

300 400 500
Current [mA]

行った。

実験と結果
Fig.1 は ECLD の構成図である。共振器内に 1/2 波長板を挿入しているのは、LD チップが TE 偏光の偏波依存性を持つため、回折格子では回折効率が低くなってしまうからである（回折格子は TM 偏光の回折効率が高い）。回折格子をこのような偏光特性を無視した配置したのは、波長分解能を高めるためである。LD チップの出力は広がり角が Fast axis と Slowaxis とで異なり、それぞれ全角 40°と 8°の角度を持つ。したがって、ビームは縦長となる。Fast axis のビーム幅で回折格子を使った方が波長分解能は高くなる。
ECLD からの出力パワーはカレント 600mA でFig. 5200mW 程度の単一周波数が得られた。最大カレントは 1A 以上だが、発振波長以外でも利得が高くなるた

遅延自己ヘテロダイン

レーザーの線幅は位相雑音によるものである。遅め、わずかな回折格子でのフィードバックでも発振

延自己ヘテロダイン検波では、ディテクターの電気がマルチモード化してしまう。

信号はローレンツ波形として現れ、そのスペクトル2の半値全幅はレーザーの半値全幅の 2 倍となる。

laser 


n tc


2n t c 2laser  (4)Wavelength[nm] FWHM 

1178.41
1178.40
1178.39(5)ただし、これは遅延時間がコヒーレンス時間 tc より1178.38
1178.37
1178.36
1178.35
1178.34

も十分に大きいときである。このときの、遅延自己1178.33
1178.32

ヘテロダインの分解能は以下の式で表される。

1178.31

 

cnL f

LD630mA
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
FG Voltage[V]( 6)Fig. 7

モードホップ

実験では遅延ファイバーに 2km のものを用いたため、以上が ECLD の特性評価である。

分解能は約 104kHz となった。

ECLD からの出力をファイバーへ結合させること

計測結果、カレントを上げるにしたがって線幅はができるパワーは最大でも 50%程度である。実際、

Linewidth [kHz]広がり、700mA では約 190kHz 程度となった。
200が 11.8m のファイバーへは 35%程度、4.8m のファ

180

イバーでは 20%程度となった。さらに実験系ではアイソレータやミラー、縦長のビームを対称に整形す160るためのプリズムペアをファイバー端面までの間に140挿入するため、ファイバー端面でのパワーは ECLD

120

出力の約 80%となる。したがって、4.8m のファイ100

バーでは、実際に 32mW しかファイバーに結合しな80

Fig. 6

実験的に求めた結果、モードフィールド径（MFD）い。これでは Yb-PDFG 増幅で効率よくパワーを引き
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Current [mA]出すことができない。そこで高出力化のため

ECLD の出力光スペクトルの FWHMイバーへ結合したのちファイバーラマン増幅を行っ

Yb-PDFG の前置増幅器として、シングルモードファた。

外部共振器内の回折格子は、ピエゾ素子の印加電シリカ系ファイバーでは、シリカガラスが非晶質圧によって角度を変えることができる。つまりリトであるため、分子振動の周波数分布がバンドとなっロー配置の波長と角度の関係式（1）より、フィードており互いに重なり合って連続したものとなっていバックする波長を変えることで、発振波長を調整する。そのため、非常に広い領域に連続なラマン利得ることができる。これは LD チップの利得領域内で連を持っている。またラマン利得はコアの添加物によ続に可変ではなく、回折格子の角度を変えることにっても著しく変化する。したがって、今回実験で用よって共振器長が同時に変わってしまうため、モーいた Phosphosilicate Fiber はリンが添加されているた

ドホップが起こり、発振可能な波長が不連続になっめ、シリカファイバーとは異なるラマン利得スペクてしまう。例えば、入射角を小さくすると式（1）かトルを持つ。今回の増幅の実験系は Fig.8 に示す。励ら発振波長は短波長にシフトし、このとき同時に共起光には 20W クラスの Yb-Fiber Laser を用いた。波

振器長は短くなってしまうため式（2）から縦モード長は 1100nm である。この場合信号光である 1178nm間隔は大きくなる。発振周波数は高周波数側に移動との波数シフトは以下の式（7）から 602cm-1 となる。

し、発振波長は短波長になる。両方の変化とも短波 長へのシフトであるが、その変化量が同じではないためにモードホップが起きてしまう。

11 602cm 1 (7)1100nm 1178nm

ピエゾ素子の電圧を変えたときの波長の推移を波602cm-1 のシフトでのラマン利得はシリカファイバ長計で測定を行った。結果、Fig.7 よりモードホップーではがかなり尐なくなってしまう。そ れに対しは 10pm の波長間隔では起こらないことがわかった。

Phosphosilicate Fiber ではさらにラマン利得が広帯域

ただし、これは要求される中心波長付近で 10pm の波にあるため実験ではこのファイバーを用いた、この長範囲で可変となるように共振器の調整が必要であときのラマン利得は 7.7×10-4mW-1 である。

る。

3Pth 21Aeff(8)

g B Leff

Aeff は有効コア面積、Leff は有効相互作用長、gB はブリルアン利得係数でシリカファイバーの 5×10-11mW-1 を用いた。結果 300m では 510mW、450m
では 340mW が SBS しきい値となった。これは実験結果と良く一致している。SBS が発生すると大分部のエネルギーが後方散乱光へと移ってしまうため、前方では信号光が弱くなってしまう。Fig.11（a）のファイバーラマン増幅の実験系

Fig. 8前方出力光のスペクトルでは SNR が 35dB 以上あり、実験では残留励起光を 2 つの WDM カップラーで1178nm を増幅できていることがわかった。
（b）の後取り除いた、これは戻り光による LD の破壊を防ぐた

方散乱光のスペクトルでは高次の SBS がカスケードめである。さらにアイソレータを 2 つの偏光子とフ状に発生している様子が見て取れる。このとき、後ァラデー回転子で構成することによって残りの戻り方への SBS 光がさらに SBS を発生させ前方出力光の光を取り出し、パワーとスペクトルから誘導ブリルスペクトルが広がった。
-10の 2 つの異なるファイバー長の Phosphosilicate Fiber-20-30Intensity [dB]について増幅後の信号光パワーと後方散乱光パワーを測定した。
Signal Output Power[mW]

800

-400W
7W
8W
9W
10W
11W
12W
13W

-20-50-60-40-60-70300m_Ps(0)=35mW
300m_Ps(0)=30mW
450m_Ps(0)=30mW

700-80-80-90600

1100

5001150 1200 1250
Wavelength [nm]1300（a）

400

Fig.1130011761177 1178 1179
Wavelength[mW]1180（b）

前方出力光(a)と後方散乱光(b)のスペクトル

200100

Fig.9 では同じ 300m ファイバーでも、実線で示し0たように SBS が起こらず最大出力パワー747mW が得

0Fig. 95101520Pump Power[W]25られた。これはファイバー内の偏光状態によって gBが 0.5~1 倍の間の値となるため SBS しきい値が変化増幅後の信号光パワーするためである。増幅器の出力光を遅延自己ヘテロダインで線幅測定を行った結果、このとき線幅は増35
Backward Light Power[mW]

00W
4W
8W
12W
16W
20W
21.3W

Intencity[dB]

アン散乱（SBS）を観測した。実験では 300m、450m

幅前と増幅後とで変化することなく 190kHz（FWHM）

300m_Ps(0)=35mW
300m_Ps(0)=30mW
450m_Ps(0)=30mW30となった。

25204.

まとめと展望

15今回の実験では単一周波数の 1178nm 光源の開発10およびファイバー増幅器による高出力化を行った。

5ECLD の出力特性としては出力パワー約 200mW、線幅 190kHz（FWHM）以下の単一周波数で、波長可変005101520Pump Power[W]25領域は 10pm となった。さらにファイバーラマン増幅による高出力化の結果、最大出力パワーは 747mW がFig. 10後方散乱光パワー得られた。単一周波数増幅では SBS の発生が出力限界を決めてしまう。そのため SBS の抑制が今後の課後方散乱光の増大にしたがって、出力される信号題となる。これには励起光をさらに高出力パワーに光パワーは制限された。単一周波数増幅の場合 SBSし、ファイバー長を短くすることが、現在最も有効の発生が増幅の限界を決定してしまう。それぞれの的であると考えられる。

ファイバー長での SBS しきい値を以下の式（8）より求めた。

4