Yb 添加 7 コアマルチコアフォトニック結晶ファイバーレーザーの位相同期特性
白川研究室
1.

はじめにファイバーレーザーは低損失のシリカガラス

黒須 雄太
2. 原理
2.1

MCPCFによって作られているため高効率、導波路構造に本研究で用いた Yb 添加 7 コア MCPCF の断面

よって空間モードを完全に制御可能であるため図を図 1、各種パラメータを表 1 にそれぞれ示す。

高ビーム品質、優れた熱拡散特性を持つため高冷コアの周りの周期的空孔構造によって、全反射に却性、コンパクト、メンテナンスフリー等の複数よる光閉じ込めを行い、シングルモードでの伝搬の優れた特徴を持つ高平均出力レーザーである。

が可能である。また、それぞれのコアがエバネッセ

しかし、ファイバーレーザーは誘導ラマン散乱やント結合により相互作用して位相同期しており、コ誘導ブリルアン散乱等の非線形光学効果、パルスアと同数の固有モード（スーパーモード）を励振す

動作時に問題となる自己収束効果、ファイバーのる。

材料であるシリカの破壊閾値等により出力は制限されている。
これら全ての要因を解決する手法として、複数のファイバーレーザーを束ねて出力を加算するアレイ化がある。特にアレイ化の一つであるコヒーレントビーム結合(CBC)では、複数のコアから出射されるレーザーを位相同期して結合することにより、出力を増大させることが可能である。

2.2スーパーモード

また、この手法では、アレイ数に応じた出力の増

本研究で用いた 7 コア MCPCF で励振するスー大ができ、アレイ数を増やすことで更なる出力のパーモードの計算結果を図 2、図 3 に示す。計算向上が可能である。には市販ソフト FIMMWAVE を用い、有限要素法

本研究室では、一つのファイバーに複数のコアにより行った。図 2 は 7 つのスーパーモードの近を持つ Yb 添加マルチコアフォトニック結晶ファ

視野電界分布、図 3 は遠視野強度分布を示していイバー(MCPCF)を用いて、上記の CBC によるフる。特に、最もモード屈折率の大きい 1 番目のモァイバーレーザーの高尖頭出力化、・高エネルギードを in-phase モード、最もモード屈折率の小ー化の研究を行ってきた。

さい 7 番目のモードを out-of-phase モードと呼ぶ。

本研究では、MCPCF の位相同期法として、エ遠視野強度分布で、この in-phase モードのみがンドシール法を用いた。エンドシール法とは、中心に高いピークを持っており、高輝度且つ高ビMCPCF 終端の空孔を溶融消滅したエンドシールーム品質な CBC となっている。本研究ではこの部 とフ ァイバ ー端 面のフ レネ ル反射 によ り、in-phase モードの選択励振を目標とする。

Talbot 共振器を全ファイバーで取り扱う手法である。これによりスーパーモード、特に in-phaseモードの選択励振が可能となる。本研究室では、この手法を用いて 6 コア MCPCF の位相同期特性を行ってきた。今回は新たに作製した 7 コア MCPCFを用いて、エンドシール法での in-phase モードの選択励振の実証を行った。

図 2. 近視野電界分布

2.4

中心ローブ比本研究では、遠視野強度分布で唯一、中心に一つだけ高いピークを持った in-phase モードの選択励振を目標として実証を行う。この in-phase モードの占有率の評価方法として、中心ローブ比ηcを用いる。中心ローブ比ηcとは、in-phase モード
図 3. 遠視野強度分布の全パワーのうち、中心ローブのパワーの割合のことである。この計算において、中心ローブの領2.3モードの選択励振域は直径 d<2.2 deg と定義した（図 5）。これは遠MCPCF のモード選択にあたり、特定のモード視野像での in-phase モードが計算結果では、とそれ以外のモード間で損失差を与え、特定のモd=2.2 deg のときに中心ローブが最小値をとってードのみを発振させる必要がある。このモード選いることから決定した。この理論値での中心ロー択の手法の一つに Talbot 法がある。
この手法では、

ブ比ηcは 66%である。

MCPCF 出射端面での自己イメージングが一定距

ただし、今回用いるエンドシール共振器での離で再構成される Talbot 効果を利用し、その半分in-phase モードの選択励振では、中心ローブの周の距離に鏡を置くことで、自己イメージングをりに存在したサイドローブが抑制され、その抑制MCPCF に戻すことができる。さらに、各スーパされた分が中心ローブに加えられる。これはエンーモードは自己イメージングが再形成される距

ドシール部の作製の際に発生するテーパー部、つ離が異なるため、鏡の位置を特定のモードに合わまり空孔が徐々に潰れていく領域の影響である。

せることで損失差を与え、モードの選択励振を行中心ローブ比ηcは、MCPCF の fill-factor を図 6うことが可能である。のように定義すると、この値が大きくなることで本研究では、この Talbot 法の応用であるエンド向上する。したがって、エンドシール共振器を用シール法を用いる。図 4 に Talbot 共振器とエンいた in-phase モードの選択励振では、サイドロドシール共振器の構成図を示す。エンドシール共ーブが抑制できることにより、中心ローブ比ηcを振器では、自由空間をシリカロッドのエンドシー向上することができる。

ル部、鏡をエンドシール部でのフレネル反射に置き換え、全ファイバーでの Talbot 共振器を構成している[1]。エンドシール長は端面研磨を行うことで調整し、再結合効率の高い特定モードを優先的に励振することで、モード選択を行う。
図 5. in-phase モードの中心ローブ比

図 4. Talbot 共振器とエンドシール共振器
図 6. Fill-factor の定義

3. 実験結果
3.1

3.2 エンドシール共振器の作製

7 コア MCPCF の巻き径及びファイバー長依存性

まず、セラミックヒーターによって融着を行うカプラー製造機を用いてエンドシール部を作製

7 コア MCPCF を使用するにあたり、巻き径及した。位相同期連続発振光学系を図 10、作製の概びファイバー長の最適値を比較・検証した。ここ

要図と観測した遠視野ビーム形状を図 11 に示す。

で巻き径を D [cm]、ファイバー長を L [m]とする。

セラミックヒーターによって作製したエンドシ実験系を図 7、巻き径による出力の測定結果を図ール部では、どのエンドシール長でも図 11 のよ

8、ファイバー長による出力の測定結果を図 9 にうな遠視野ビーム形状となってしまった。そのた示す。巻き径による出力測定は７コア MCPCF のめ、in-phase モードの選択励振を確認することは発振が確認できているファイバー長 L=3.0 m、フできなかった。原因として、溶けた MCPCF が重ァイバー長による出力測定は巻き径の最適値力の影響によって垂れ下がってしまうことで、空孔D=30 [cm]の７コア MPCF を用いた。の潰れ方に不均一性が生じているためであると考えられる。

図 7. ７コア MCPCF の巻き径及びファイバー長による出力依存性の実験系
12

スロープ効率(D=18 cm) : 0.53%
スロープ効率(D=30 cm) : 76%
スロープ効率(D=34 cm) : 79%
スロープ効率(D=50 cm) : 79%10

図 10. ７コア MCPCF 位相同期連続発振光学系

Power [W]8D=18 cm

6D=30 cm
D=34 cm

4D=50 cm

図 11. 作製方法と観測した遠視野ビーム形状（セラミックヒーター）

2020

次に、フィラメントタイプの融着機を用いて、

図 8. 巻き径による出力の測定結果エンドシール部を作製した。作製の概要図と観測12した遠視野ビーム形状を図 12 に示す。この観測051015Transmitted Power [W]Power [W]

スロープ効率(L=3.5 m) : 77.6%
スロープ効率(L=3.0 m) : 77.3%
10
スロープ効率(L=2.5 m) : 73.0%
スロープ効率(L=2.0 m) : 68.4%
8 スロープ効率(L=1.5 m) : 55.0%

により、中心に高いピークを持った遠視野ビーム形状を観測することができた。よって、フィラメ
ントタイプの融着機により作製したエンドシー

L=3.5 m

6L=3.0 m

ル部を用いて、エンドシール長を研磨により調整

L=2.5 m
L=2.0 m4し、in-phase モードの選択励振の実証を行った。

L=1.5 m20051015
Transmitted Power [W]20

図 9. ファイバー長による出力の測定結果

以上の結果より、７コア MCPCF では巻き径
D=30 cm、ファイバー長 L=3.0 m で効率が最大となった。

図 12. 作製方法と観測した遠視野ビーム形状（フィラメントタイプの融着器）

3.2

エンドシール共振器による in-phase モードの選択励振

フィラメントタイプの融着機で作製したエンドシール共振器での、エンドシール長による中心ローブ比の変化を図 13 に示す。エンドシール長
6.0 mm~2.0 mm の範囲で研磨を行い、中心ローブ比が高い箇所では 100 µm ずつ細かく研磨を行った。その結果、エンドシール長 5.2 mm の時に中心ローブ比𝜂𝑐 = 0.98の安定した遠視野ビーム形状を観測した。よって、in-phase モードの選択励振はエンドシール長 5.2 mm 付近が最適値だと考えられる。

図 15. 出力による中心ローブ比の推移

4. 結論と今後の展望
7 コア MCPCF の位相同期に向けて最適な巻き径とファイバー長を確認した。7 コア MCPCF の
CW では、巻き径 30 cm、ファイバー長 3.0 m で効率が最大となった。
7 コア MCPCF を用いたエンドシール共振器での in-phase モードの選択励振を行った。エンドシール部をセラミックヒーターにより作製した
ところ、空孔の潰れ方に不均一性が生じているため、in-phase モードの選択励振はできなかった。次に、フィラメントタイプの融着機を用いたところ、均
図 13. エンドシール長の最適化最適長における出力の測定と、出力による中心ローブ比の変化を測定した。この結果を図 14、15に示す。出力測定ではスロープ効率 92.4％という結果となった。出力による中心ローブ比の変化を測定したところ、5.32W 以降の出力では、出力を上げるにつれて中心ローブ比が低下することがわかった。これは低出力時には再結合効率の高いin-phase モードのみが発振するが、高出力時の際には再結合効率の低い他のモードも発振してしまうため、中心ローブ比が低下したものと考えられる。

一なエンドシール部の作製に成功した。このエンドシール部を用い、エンドシール長 6.0 mm~2.0mm の範囲でエンドシール長を調整し、複数箇所で遠視野ビーム形状を観測した。また、中心ローブ比で in-phase モードの占有率を評価した。その結果、エンドシール長 5.2 mm で中心ローブ比
ηc =0.98 の安定した遠視野ビーム形状を観測できた。このエンドシール長で、出力測定と出力による中心ローブ比の変化の測定を行った。出力測定ではスロープ効率 83.5％という結果となった。
また、出力による中心ローブ比の変化を測定した
ところ、5.32W 以上の出力では、再結合効率の低い他のモードも発振してしまうため、中心ローブ比が低下した。
今後の展望としては、in-phase モードの単一出力化を行う。また、6 コア MCPCF との比較を行っていく予定である。
参考文献

図 14. エンドシール共振器の出力特性[1] M. Matsumoto, T. Kobayashi, A. Shirakawa, and K.
Ueda, “All-fiber phase-locked multi-core photonic
crystal fiber laser,” Advanced Solid-State Photonics
2011, paper AMC3.