方向性結合器を用いたファイバーアレイレーザーの特性
電子物性工学専攻

1植田研究室齊藤智春

はじめに複数のレーザー出力を結合し 1 つの高出力ビームを得る。この様なビームの加算について様々な研究が行われている。その中の一つに波長の近いビームを光学系を使用して重ね合わせるという方法がある。これにより高出力ビームが得られ、励起用光源や工業用レーザーなどに使われている。しかしこの方法はインコヒーレント結合であり、出力は高くなる反面スペクトル輝度は低下してしまい、用途の幅を狭めてしまう結果となる。コヒーレント加算を行えばこの問題は生じない

図 1: P 添加ファイバーの利得 [3]のだが固体レーザーや LD で実現するのはモードマッチングなどの面から困難である。そこで我々はファイバーレーザーを方向性結合器で結合する事によりコヒートークス光として得る事が出来る。ここで最初のシフレントアレイを形成することが出来ると考え本研究をトには 1330cm−1 を用い、それ以降には 510cm−1 を用行った。[1]いている。[5]本実験は 2 つの等価なファイバーレーザーを作成し、3dB の方向性結合器を用いて結合し測定を行った。ファイバーレーザーには、発振波長が光通信で使用されている為、光ファイバーコンポーネントの入手が容易である事とラマンファイバーレーザーを用いることによって高出力の励起用光源を用いる事が出来るので Er 添加

図 2: 3 次ストークスラマンファイバーレーザー

ファイバーレーザーを用いた。
図 2 にラマンファイバーレーザーの装置図を示す。こ2

こで使用している FBG(Fiber Bragg Gratings) とは、ラマンファイバーレーザー

ファイバーのコア部に一定間隔で屈折率変化を生じさ

ラマンファイバーレーザーとは、非線形光学現象であせ特定波長のみに対してミラーとして働く光コンポーる誘導ラマン散乱効果を利用したファイバーレーザーネントである。1 次ストーク光、2 次ストークス光にであり、これにより励起光はそれよりも長波長のストー

ついては反射率 R > 99% の FBG を使用して閉じ込めクス光にシフトされる。このシフト量はファイバーをる形で共振器を構成し、3 次ストークスは R > 99% と構成する媒質に依存する。[2] 図 1 に今回使用した P 添

R = 15% の FBG で共振器を構成した。使用した P 添−1の鋭い加ファイバーは 500m である。この 3 次ストークスラピークが P2 O5 の成分であり、500cm−1 前後のなだらマンファイバーレーザーの入出力特性を図 3 に、最大かなピークは SiO2 の成分によるものである。このよう励起時のスペクトルを図 4 に示す。

加ファイバーのラマン利得を示す。1330cmに Ge,Si に比べて P 成分のシフト量は非常に大きく、より長波長へのシフトを行うことが可能である。

最大励起パワー 18.7W のとき 1 次、2 次、3 次ストー
クス光の最大出力はそれぞれ 0.89W,1.27W,4.68W でEr 添 加 ファイ バ ー の 励 起 光 源 と て 必 要 な 波 長 はある。共振器は 1 次、2 次光に対してほぼ 100% 閉じ込1480nm 付近である。これを Yb 添加ファイバーレー
ザー (19W@1100nm) を励起として用いラマンファイめられるように設計をしたのだが、使用した FBG よりも 1 次、2 次光のスペクトル幅が広い為、反射しきれずバーレーザーで得る為には、1289nm の 1 次ストークに漏れている。このため 3 次ストークスへの変換効率は

ス光、1380nm の 2 次ストークス光、1484nm の 3 次ス

25% ほどである。しかし一般に使われている 1480nm

+−PP ：ポンプ光のパワー、PL, PL：順方向、逆方向レーザー光のパワー

σP a , σLa ：励起光、レーザー光の吸収断面積σP e , σLe ：励起光、レーザー光の誘導放出断面積
N ：全イオン数、N1 ：基底順位のイオン数、N2 ：上順位のイオン数
ΓP , ΓL ：励起光、レーザー光のコアに占める割合、τ ：蛍光寿命
lP , lL ：励起光、レーザー光のファイバー損失
νP , νL ：励起光、レーザー光の周波数、A：コアの断面積、h プランク定数

式 (4) は励起光のパワーの変化を表した式で、σP a の項は励起光が吸収されイオンが上順位に励起される過程を表し、σP e の項は励起光により誘導放出が生じイ

図 3: 入出力パワー特性オンが基底順位に移る過程である。式 (5) はレーザー光のパワーの変化を表したものである。σLa がレーザー光の吸収を表し、σLe がレーザー光の誘導放出を表してる。
境界条件を以下の式で表す。

z=0 で
PP = PP 0(6)

PL+ =0.04 × PL−(7)PL− = PL+(8)z=z で

図 4: 出力スペクトルの LD 出力は 200〜300mW なので、比較すると非常に使 用 す る Er 添 加 ファイ バ ー は 、NUFERN 社 製 の高出力であり、さらにファイバー出力なので、Er 添加

EDF555 である。表 1 の Er 添加ファイバーのパラメーファイバーとほぼ 100% に近い割合で結合する事が可ターを示す。このパラメータと境界条件よりレート方能である。この事から Er 添加ファイバーレーザーの励起用光源として十分な性能を持っている。結果として中表 1: ファイバーパラメータ [5][6]

心波長 1484.5nm、半値全幅 2.5nm、出力 4.68W、光光変換効率 25% のラマンファイバーレーザーを製作できた。

33.1

Er 添加ファイバーレーザー

WP e + WLe
N
WP a + WP e + WLa + WLe + 1
τWLa = ΓLdPP

σP a PPhνP A

0.08@1557nm0.08

Core Diameter [µm]4.6Fiber Diameter [µm]125

Cutoff Wavelength [nm]910

Metastable lifetime τ [ms]Erbium ions N[m−3 ]8.9 × 1024

10@1484nm

0.57@1557nm

0.55

Absortion cross section σa [m2 ]Er 添加ファイバーレーザーを作成するにあたって、最適なファイバー長を算出する為モデリングを行った。
Er のエネルギー準位は 3 準位であるが、1480nm から1550nm への緩和時間が数十 µs なのに対してレーザー遷移の上順位の蛍光寿命が 10ms と非常に長いので 2 順位レーザーとして考える事が出来る。2 順位レーザーのレート方程式を次式に表す。

WP a = ΓP

Value@1484nm

Overlap integral between the optical mode Γ

モデリング

N2 =

Fiber Parameter
Fiber Loss l[dB/m], WP e = ΓPσLa (P + + P − )LLhνL A(1)

@1557nmEmission cross section σe [m2 ]@1484nm@1557nm2.66 × 10−25
2.35 × 10−25
0.95 × 10−25
3.39 × 10−25

程式を解く。共振器長を 1〜15m まで変化させ、吸収されず透過してくる励起光とレーザー光のパワー出力特性を図 5 に示す。

σP e PP(2)hνP A, WLe = ΓL

@1484nmσLe (P + + P − )
LL(3)

hνL A

©
ª= −ΓP σP a (N − N2 ) − σP e N2 PP − lP PPdz
ihdP ±ª ±±L = ± Γ ©σ
LLe N2 − σLa (N − N2 ) PL − lL PLdz

(4)

このシュミレーション結果からファイバー長が 9m のときに最大出力 1.65W が得られる。しかし出力はファイバー長が 6〜15m にかけてなだらかなピークとなるので、実際に使用するファイバー長は 6m とした。共(5)振器内部の位置に対するパワー特性を図 6 に示す。

波長の合流・分岐を行うファイバー結合器である。同じように FBG-B(R>99%@1557.16nm) を用いてレーザーを組みそれを Laser B とし、それぞれのレーザーについて測定を行った。
入出力パワー特性を図 8、最大出力時のスペクトルを図 9 に示す。最大励起 2.05W の時、Out A 1.36W、

Out B 1.47W の出力が得られた。それぞれの出力でアンバランスが生じているが、その原因は使用した WDM結合器の内部損失が Laser A の方が大きいためである。
図 5: 出力のファイバー長依存性

使用した FBG-A と FBG-B の中心波長が異なるので、出力スペクトルの中心波長も異なっている。中心波長はLaser A で 1556.97nm、Laser B で 1557.16nm であり、半値全幅はそれぞれ 0.1nm で FBG とほぼ同じである。
形状としては A の方がやや裾が広い形をしている。

図 6: 共振器内パワーの位置依存性
この図は共振器内部での励起光とレーザー光の振る舞いを表したものである。シュミレーション結果より1484nm,2W 励起でレーザー出力 1.58W が得られるこ

図 8: 入出力パワー特性とが解った。この結果を元にファイバー長を 6m としEr 添加ファイバーレーザーを作成した。

3.2

Er 添加ファイバーレーザー

図 9: EDFL のスペクトル

図 7: N=2 Er 添加ファイバーレーザー

4結合実験

図 7 に Er 添 加 ファイ バ ー レ ー ザ ー の 装 置 図 を

4.1

Er 添加ファイバーアレイレーザー

示 す。励 起 光 に は ラ マ ン ファイ バ ー レ ー ザ ー の 出
力 (4.1W@1484nm) を 3dB 結 合 器 を 用 い て 2 分作成した Er 添加ファイバーレーザーを 3dB 結合器

岐 し た 2.05W を 用 い 、WDM 結 合 器 を 介 し て 6mを使用して図 10 のように結合し、Er 添加ファイバーの Er 添加 ファイ バー に注 入し た。共 振器は FBG-レーザーアレイを作成し測定を行った。図 11 に入出力

A(R>99%@1556.97nm) と 4%端面反射で構成し、こパワー特性、図 12 に正規化したスペクトルを示す。のレーザーを Laser A とした。WDM 結合器とは選択結合する事により出力は Out A からのほぼ単一出出来る。[7]図 10: Er 添加ファイバーアレイレーザー

図 13: ブラッグ波長制御を用いた装置図
図 13 に装置図を示す。マイクロステージを 0〜90µm力に変化し、最大励起 4.1W で Out A 2.54W、Out Bまで動かし各ブラッグ波長において測定を行った。ブ

0.17W と Out A は独立状態の出力を足し合わせた値に近い出力が得られている。この状態のスペクトルはラッグ波長は FBG-A に 5dB 結合器を接続し、白色光の反射光を測定することで直接モニターを行った。図

Out A、Out B 共に同じ中心波長と形状をしている。
独立状態ではスペクトル形状と中心波長は共に同じで力依存特性を示す。図 15 に出力スペクトルを示す。図

はない事から、このレーザーはコヒーレントアレイ状

中の赤、青の点線は FBG-A、FBG-B のブラッグ波長態であると考えられる。またこの出力は非常に不安定の位置を表している。

14 に FBG-A と FBG-B のブラッグ波長の差による出で、出力端面や出力ポートの状態を変化させる事により出力の値が変化し、場合によって出力が逆転する現象が起こった。

図 14: 出力パワーのブラッグ波長差依存性

図 11: 入出力パワー特性

図 12: 出力スペクトル4.2

ブラッグ波長制御

FBG のブラッグ波長のを変化させ結合の波長依存

図 15: ブラッグ波長のシフト量に対するスペクトル性を調べる。ブラッグ波長の制御にはマイクロステー
ジを用い引っ張ることで行った。1µm の引っ張りに対波長差が 0.5nm までは、出力パワーに変化は見られして 0.014nm のシフトを得る事が可能で、これによりずスペクトルも単一で、波長は FBG-A と FBG-B のス

FBG-A と FBG-B が完全に重ならないようにする事がペクトルの重なり付近で出力している。しかし、波長差が 0.6nm に達すると出力は 2 ポートからの出力に分に急激に出力は移行し損失が 0.5dB に達すると完全に離し、スペクトルも FBG-A、FBG-B を中心とした 2Out B に反転している。スペクトルからも Out A からつのスペクトルに分離をしている。これは 0.5nm を境に FBG の重なりで発振するよりも、各々のブラッグ波Out B へ出力が移行していく過程が見られ、この過程の間に結合が解かれる状態がないという事が分かる。最長で発振を行う方が閾値が低くなった為、単純に 2 つ

終的には損失が 0.0dB で Out A 2.51W,Out B 0.19Wのレーザーの出力が 3dB 結合器によって分けられ、2の出力が 8.9dB で Out A 0.06W,Out B 2.52W と損失つのポートから出力されていると考えられる。この状を加えた方が合計出力の高出力ポートの割合が大きく

態はレーザーが相互に影響を受けていないことからイなっている。

ンコヒーレントアレイ状態であると言え、互いに影響を受け中心波長が引き込まれている状態はコヒーレントアレイ状態であると言える。

4.3

出力ポートのスイッチング

出力ポートは、端面の状態や出力ポートの状態によりスイッチングする。特に出力ポートのファイバーを曲げることにより出力ポートが変化する。ファイバー

図 17: 出力パワーの印加損失依存性を曲げることによって生じる現象には• 偏波の変化• ファイバー長の変化• 損失の変化が考えられる。偏波による影響をポラライゼーション
コントローラを共振器内部または出力ポートに取り付けて偏波依存性を調べた。ポラライゼーションコント
ローラを使用して測定を行った結果、最大出力は Out A

2.48W,Out B 0.21W、最小出力は Out A 2.05W,OutB 0.63W であった。この事から偏波による影響はあるが、出力ポートのスイッチングを生じさせるほどの影響は無いということが解った。ファイバー長を変化させてもスイッチングは生じないことから、出力ポート

図 18: 印加損失に対するスペクトルの損失が影響していると考えられる。そこで出力ポートに損失を印加し測定を行う。

インデックスマッチングオイルを端面に使い、戻り光をほぼ無くすことにより無限の損失を加えてみた。OutA 0.15W,Out B 2.57W の状態でポート A の端面にオイルを使用したところ、Out B の出力は 2.65W に増加した。増加の理由は次のように考えることが出来る。
初期状態は図 19 の上の様に、ほとんどの成分はポート

図 16: 損失制御を用いた装置図

B で発振しているが、一部の成分がポート A で発振を行っている状態であると考えられる。オイルを使用す

図 16 に装置図を示す。ファイバーを円形に束ねて結る事により下の図の様にポート A からの戻り光が無くい、これを固定し楕円状に潰す事により損失を印加しなり、ポート B へ出力される成分が増加する為と考えた。図 17 に印加損失を増加させた時の出力パワー特性られる。

を、図 18 にスペクトルを示す。

以上の結果より低出力ポートの成分は、モードのミ損失を徐々に増加させることにより Out A の出力スマッチにより高出力ポートへ結合出来ない成分が漏は減少し Out B の出力は増加していくが、0.4dB を境れてきていると考えられる。高出力ポートはポート A、3 つの出力端面にインデックスマッチングオイルを使用して 1 つのポートのみを選択した。その結果、単一ポートから 2.45W の出力を得ることが出来た。この様に 4 つのレーザーについても 2 つのレーザーと同様にコヒーレント加算を行うことが出来た。

図 19: インデックスマッチングオイルによる影響
ポート B で損失の低い方、すなわち閾値が低い方が発振しており、そのポートに損失を印加して閾値を相手側より高くすると出力はスイッチする。

5結論

Er 添加ファイバーレーザーの励起用のラマンファイバーレーザーのシュミレーションを行い、その結果を元に製作を行い 1484.5nm,4.68W の励起光源を得る事が出来た。

Er 添加ファイバーレーザーのシュミレーションを行い、その結果を元にレーザーを 2 台製作しそれぞれ

図 20: 方向性結語器
図 20 に 3dB 結合器のイメージ図を示す。図左のように 1 ポートから入力した成分は 2 ポートに A1 (z), θ =0, A2 (z), θ = − π2 という位相関係で分岐される。この成分が反射して右図のように 1 ポートに戻る条件は、結合器の式よりそれぞれの位相の関係が A1 (0), θ =0, A2 (z), θ = π2 の条件で戻ってきたときのみに実現される。大出力ポートのスイッチ出来るということは、共振器自体がこの条件を自己的に満たすと考えられる。

4.4

1556.97nm,1.36W、1557.16nm,1.47W の出力を持つファイバーレーザーが得られた。
Er 添加ファイバーレーザーを 3dB 結合器を使用して結合する事により、コヒーレント加算を実現でき単一ポートから出力を得ることが出来た。出力ポートはポートの損失を制御することにより任意に選択することが可能で、出力ポートのスイッチングが行うことが出来る。
共振器を構成している FBG のブラッグ波長を制御することで、コヒーレントアレイ、インコヒーレントアレイ状態の観測を行った。

4 つのレーザーについても結合を行い、2 つの状態と同様の結果を得る事が出来た。

4 つのレーザーの結合同じ構成の 4 つの Er 添加ファイバーレーザーを作成し、それぞれを A,B,C,D とした。励起光はラマンファイバーレーザーの出力 (4.1W@1484nm) を 3dB 結合器を 2 段階に用いて 4 分割し、それぞれ 1W で励起した。
最大励起時の出力は、Out A 0.68W,Out B 0.64W,OutC 0.62W,Out D 0.62W である。図 21 に 4 つのレー

参考文献
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Letters,Vol.24,No.24,(1999),pp1814-1816.
[2] アグラワール, 『非線形ファイバー光学』, 吉岡書店, (1997).
[3] Mahendra Prabhu, “RAMAN AND BRILLOUIN/RAMAN
FIBER LASER USING PHOSPHOSILICATE FIBER”, Ph.D
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[4] A.BERTONI,“Analysis of the eﬃciency of a thirdorder cascaded Raman laser operating at the wavelength of 1.24µm”,Optical and Quantum Electronics,Vol.29,(1997),pp1047-1058[5] C.Randy Giles and Emmanuel Desurvire, “ModelingErbium-Doped Fiber Amplifiers”, Jounal of Lightwave
Technology,Vol.9,No.2,(1991),pp.271-283.

図 21: N=4 Er 添加ファイバーアレイレーザー
ザーを結合したアレイレーザーを示す。レーザーの結合には 4 × 4 の 6dB 結合器を用いて行った。通常状態
ではそれぞれのポートの出力は非常に不安定だった為、[6] C.R.Giles,C.A.Burrus,D.J.DiGiovanni,N.K.Dutta,andG.Raybon, “Characterization of Erbium-Doped Fibers andApplication to Modeling 980-nm and 1480-nm PumpedAmplifiers”, IEEE Photonics Technology Letters,Vol.3,No.4,(1991),pp.363-365.
[7] 宇 野 弘 幸 、柴 野 敦 、小 島 章 義 、三 上 修,“ひ ず み 制 御 ファ イ バ ー グ レ ー ティン グ を 用 い た 光 波 長 ス イッチ ン グ”, 光学,Vol.28,No.5,(1999),pp2 73-277