1178 nm Yb 添加ファイバーレーザーの開発
電子工学専攻現在、レーザーガイドスター(LGS)や医療への応用として黄〜橙色ファイバーレーザー光源の開発が盛んに行われている。これまでに、1140〜1200nmのファイバーレーザー光源(ファイバーラマンレーザー(FRL)、ビスマスファイバーレーザー

120
Small signal gain [dB/m]

1. はじめに

植田研究室

Fiber length = 7 m

10080

Pump power

600.1W
1W
5W
10W

4020010001050(BFL))を開発し、その出力を波長変換し第2高調波(570〜600 nm)を発生させる方法が報告されていFig. 1-1

る[1,2]。しかし、これらの方法ではファイバー長ザー線幅が広がってしまい、波長変換の効率が低下するという問題がある。また、励起方法は輝度の高いYbファイバーレーザーによるコア励起が必要となる。その一方で、Yb添加ファイバーによる長波長域(1150〜1200 nm)におけるレーザー動作の研究がされている[3]。Yb添加ファイバーはレ

11001150
Wavelngth [nm]12001250

Yb添加ファイバーの小信号利得スペクトル-20
Intensity [dB, arb.units]を長くする必要があり、非線形効果によってレー丸山裕輝-30

Parasit ic lasi ng-40-50-60-70
10001050

11001150
Wavelength [nm]Fig.1- 2

ASEと寄生発振

1200ーザーダイオード(LD)による直接励起が可能であり、レーザー線幅もFRLやBFLに比べ狭線化できるため効率的な第2高調波発生が可能となる。
Fig.1-1にYb添加ファイバーの小信号利得スペクトルを示した。長波長域の利得に対し、高利得域(1000〜1100 nm)の利得はlogスケールで60倍以上も高いため、長波長域でレーザー動作させようとしても簡単に高利得域で増幅自然放出(ASE)が増大し、寄生発振によって出力制限を受けてしまう。
実際に例をあげると、Yb添加ダブルクラッドファ

Fig.1- 3 寄生発振によるファイバー端面破壊イバー(Yb-DCF)と反射率99.9%と70%のファイバの589 nmレーザーを得るため、20W以上の1178 nmーブラッググレーティング(FBG)で共振器を構成直線偏光レーザーを出力することを目標とし、1.

し前方励起したときFig.1- 2のように、ASEが増大し高反射率Ybファイバーレーザー共振器、2. Yb添加

容易に寄生発振が生じてしまった。さらにその寄

フォトニックバンドギャップファイバー

生発振がセルフQスイッチ発振するとジャイアン(Yb-PBGF)光増幅器の2つの方法によるASEを抑制

トパルスに成長しファイバーの端面をFig.1- 3のよしたYb添加ファイバーレーザーの開発を行った。

うに破壊し、共振器の機能を停止させた。端面の修復には研磨が必要で困難が要された。このようなことからもYb添加ファイバーの長波長域でレーザー動作させるためには高利得域で発生するASE・寄生発振を抑制するということがこの研究の最大の課題となる。
本研究では、LGSの要求値である出力10W以上2. 高反射率Ybファイバーレーザー共振器
ここでの狙いは、高反射率の FBG で共振器を構成し、1178 nm レーザーの共振器内パワーを上げ、反転分布量を減少させ ASE の利得を抑制することである。片側の FBG を反射率 R=100%(HR)@1178nm とし、出力側の反射率 R を変化させたとき、

7計算すると Fig.2-1 のようになった。この図からわ

6かるように、反射率 R が高くなるにつれ、反転分布量が減少し ASE の利得が低下していく。ここで、寄生発振閾値を 50dB と仮定すると、寄生発振を

Output power [W]1178 nm レーザー発振後の飽和利得スペクトルを(b) Intra-cavity loss = 0Fiber length = 7 m
P = 8W
P54321抑制するためには少なくとも、R>50%でなければ0020406080Output coupler [%]ならないことが Fig.2-1 からわかった。また、出力側の反射率 R による出力変化を計算すると、Fig.2-2100FBG反射率Rによる出力変化Fig.2-2 のようになり、R=80%付近で最大となるこ5ともわかった。以上の計算結果より、件と考え共振器を構成することとした。また、直線偏光化のために共振器内に偏光子が必要であった。研究を始めた当初植田研究室では耐高出力イ

Output power [W]HR-80%@1178 nm の反射率の組み合わせを最適条

32100.0

ンライン偏光子を共振器内に組み込み直線偏光化した。ここで、HR-80%共振器において共振器内損理論的にも限界であり高出力が見込めなかった。
そこで植田研究室で考案された方法が直交融着法
である[4]。この方法は偏波保持ファイバーに書き込まれた FBG2 本と Yb 添加ファイバーをこの方法で融着することにより、偏光子なしに偏光子機能を有した全ファイバー共振器が構成された。そのため、共振器内損失は 2 点の融着損失のみで決まり、共振器を構成した結果 0.33dB にまで低減され、高出力が期待できた。

Output power [W]あるこのインライン偏光子では 1W 程度の出力が3大出力 0.8W スロープ効率 26.1%であったものが、2.0

Max power = 3.03W
Slope eff. = 49.5%

1
Inline -pol.
002468
Launched pump power [W]

10Fig.2-4 高反射率 Yb ファイバーレーザーの出力特性-20(a) -30-40-60-801000

その結果、インライン偏光子を用いた場合では最1.01.5
Intra-cavity loss [dB]2Intensity [dB,arb.units]

器内損失に大きく影響するため、損失が 1.6dB も0.5

Fig.2-3 共振器内損失に対する出力の変化失に対する出力を計算すると Fig.2-3 のようになる。このように高反射率共振器では、出力が共振

HR-80% cavity
L = 7mCaluculation
4

HWFM~ 40pm

-60-90117711781179

Power ratio : 16.5dB

1100
Wavelength[nm]1200Fig.2-5 最大出力時での出力スペクトル

共振器内損失の低減により、最大出力 3.03W、ス

この出力と共振器内損失 0.33dB を計算値(Fig.2-3)

ロ ー プ 効 率 49.5% と な り 大 幅 に 改 善 さ れ たと比較すると、ほぼ理論どおりの出力が得られた(Fig.2-4)。と考えられた。この出力結果より、今までレーザ

Saturat ed gain [dB ]100
P = 5W80P

Fiber lenght = 7 m

ー動作できないと考えられていた利得ピークの利40%
50%80%得に比べデシベル換算で 60 分の 1 程度しかない非60常に小さい利得を持つ長波長域の波長でも、50%

Paras iti c lasi ng start

40程度の高いスロープ効率でレーザー発振できるこ2001000とを実証した。また、最大出力時の出力スペクト
1050

11001150
Wavelength [nm ]1200

Fig.2-1 FBG 反射率 R による利得スペクトルの変化

ルは Fig.2-5 のようになり ASE のパワーは 1178 nmレーザーに対して-16.5dB 抑制された。レーザー線幅は~40pm と狭く、また偏波消光比も 14.5dB と十分直線偏光化されているため効率よく第 2 高調波が発生されると期待された。目標の 20W 以上の1178 nm レーザーを得るためには更なる高出力化が必要であるが、励起パワーを 9W 以上にした時点で寄生発振し、出力が制限されてしまった。したがって、この目標を達成するためには、高反射Fig.3-1 作製された Yb-PBGF の断面写真

率 Yb ファイバーレーザー共振器に加え新たなTransmission [dB, arb.units]

ASE・寄生発振を抑制した高出力システムが必要となった。そこで考え出されたのが Yb-PBGF 光増幅器である。

Yb-PBGF光増幅器

High gain region

Yb-PBGF-1
Yb-PBGF-2-70-80-90600

ここでは PBGF によって、従来のファイバーで設 計 し 作 製 さ れ た 2 本 の Yb-PBGF( そ れ ぞ れ
Yb-PBGF-1, Yb-PBGF-2 と 呼 ぶ ) の 断 面 構 造 をFig.3-1 に示す。Yb-PBGF は中心にある Yb が添加されたコアの周りに Ge 添加ロッド(白点、直径~8.3µm, 屈折率比+0.035)を周期的に配列したクラッドを施し、PBG を形成した。コアの両脇には B添加ロッド(黒点、直径~10µm, 屈折率比-0.006)を配列し、コアに付加応力を加え偏波保持特性をもたせている。クラッドの周りにある黒い円は空孔
ク ラ ッ ド で あ り 、 こ の 内 側 を 大 き な
NA(NA=0.57@976 nm)で励起光が伝搬できるように施されている。励起光のコアへの吸収量は 1.1
dB/m@976 nm である。これらのパラメータに関しを狭帯域化させた。従来のファイバーは曲げ損失は長波長から生じるのに対し、PBGF は短波長からも曲げ損失が生じるためこの方法が有効となる。
Yb-PBGF-1(長さ 1m)を直径 10cm の円筒に 1 周だけ巻きつけた状態で透過スペクトルを測定すると、Fig.3-3(青色)のように曲率によって透過バンドは青点線から青線のように狭帯域化された。この透過スペクトルから直径 10 cm 曲率を加えたときの小信号利得スペクトルを計算すると同図の赤線のようになり、高利得域の利得は抑制され長波長のみに利得がある状態が形成された。このように、
PBGF を用いることにより従来のファイバーでは実現できなかった、高コントラストの損失分布が形成できるため、利得スペクトルをも人工的に制御することが可能となった。
Transmission [dB,arb.units]ては 2 本の Yb-PBGF ともに同じである。異なる点

50
Yb-fiber-70は Ge 添加ロッドの周期間隔Λであり、Yb-PBGF-1はΛ=9.5µm で Yb-PBGF-2 はΛ=10.1µm となってい-80る。そのΛの差によって Yb-PBGF の透過スペクト
ルは Fig.3-2 のように異なりをみせる。この図から302010-901000

PBGF は波長のバンドパスフィルター特性を有し40D = 10 cm

1100
1200
Wavelength [nm]

Small signal gain [dB/m]

ASE を抑制した高効率光増幅を行った。本研究でそこで、Yb-PBGF-1 に曲率を加えて透過バンド

1178 nm高利得域には非常に大きな損失を与えることで、

1500

Fig. 3-2 Yb-PBGF 透過スペクトルは実現できなかった損失スペクトルを人工的に制御し、長波長域の光は低損失の伝播を可能にし、

900
1200
Wavelength [nm]1156 nm3.

-600ていることが確認できる。ここで Yb-PBGF-1 に着Fig.3-3 Yb-PBGF-1 の透過スペクトルと利得スペクトル

目すると、透過バンドが斜線部の高利得域に及ん青点線ÆStraight, 青線Æ曲率 D=10cmでしまっており、このままでは高利得で発生する赤点線ÆYb ファイバー, 赤線Æ曲率 D=10cm

ASE を抑制することは不可能であった。高利得域の ASE を抑制するには光を伝搬しないストップバンドに高利得域を収める必要があった。

3.1

Yb-PBGF-1 による光増幅

この曲率を Yb-PBGF-1（長さ 24m）に加えて増幅実験を行った。増幅器の構成図を Fig.3-4 に示しIntensity [dB, arb.units]-10た。まず PBGF による長波長での高効率光増幅を実証するために、1178 nm より 2 倍大きな利得をもつ波長 1156 nm 光増幅を行った。シード光には1156 nm-FRL を用いた。また、ファイバー結合型-20-30-40-50-60LD(波長 976nm)により後方クラッド励起した。

1000PBGF 端面にエンドシールとアングル面を施してHT@1100nm
HR@1178nm

HR@>1000nm

Couple to core
OutputFig. 3-4 増幅器の構成図-20-50最大出力である。この結果から、PBGF を用いた高利得域で発生する ASE・寄生発振を抑制した高出力・高効率光増幅が可能であることを実証した。
最大出力時での出力スペクトルは Fig.3-6 のようになり、ASE のパワーは 1156 nm レーザーに対して-33dB 抑制された。寄生発振による出力制限は無く、レーザーの最大出力は励起 LD の最大出力で決まった。したがって、励起光源を高出力の LDに変えることで更なる強励起が可能で、計算によると 100W 励起しても寄生発振閾値は越えず 60W以上の 1156 nm レーザー出力が可能と考えられた。
同様に Yb-PBGF-1 に直径 10cm の曲率を加え、波長 1178 nm の光増幅を行った。その出力特性をFig.3-5(青線)に示した。強励起に伴って ASE は増大し励起パワー27W のとき寄生発振し、9.1W で出力制限された。Fig.3-7 は最大出力時での出力スペクトルであるが、1120 nm 付近を中心-80-601050

11001150Wavelength [nm]

-85
1200

Fig.3-7 寄生発振直前での出力スペクトルワー5W のときスロープ効率 66％で最大 32W を出力した。この出力は私が知る限り PBGF では世界-75-401000

増幅出力結果を Fig.3-5(赤線)に示した。入射パ-70-30Transmission [dB,arb.units]

Intensity [dB, arb.units]1156 or 1178nm
fiber Raman laser

Fibercoupled LD

1200-65-10

Yb-PBGF@975nm

11001150
Wavelength [nm]Fig.3-6 最大出力時での出力スペクトル

フレネル反射による寄生発振を防いだ。
Cladding pumping

1050に ASE が増大していることがわかる。ここに
Yb-PBGF-1 に直径 10cm の曲率を加えたときの透過スペクトルを重ねると同図の黒線のようになり透過バンドの内側で ASE が増大していることがわかる。したがって、この ASE を抑制し 1178nm レーザーの高出力を得るためには、更に透過バンドを長波長側に形成する必要があると考えられた。

3.2

Yb-PBGF-2 による光増幅

Yb-PBGF-1 の結果を踏まえて再度設計・作製されたのが Yb-PBGF-2 である。Fig.3-2 を見てわかるよ
うに Yb-PBGF-2 の透過バンドは Yb-PBGF-1 に比べ 70nm 程度長波長に形成された。更に利得スペクトルを制御するために、Yb-PBGF-2 に直径 26cmの曲率を加えると透過スペクトルは Fig.3-8(青線)のように透過バンドは狭帯域化され、その透過スペクトルから計算される利得スペクトルは同図の赤線のようになり、1178 nm 以下の利得を十分抑制することができた。更に驚くべきことに、

30

Yb-PBGF-1 の伝送損失が 0.1dB/m であったのに対Output power [W]1156 nm amp

し、Yb-PBGF-2 の伝送損失は 0.02dB/m 以下と非常

20Parasitic lasingstarted

101178 nm amp
001020304050Launched pump power [W]60

Fig.3-5 Yb-PBGF-1 による光増幅出力特性に低損失の Yb-PBGF が完成された。これまでにPBGF の低損失のものでは、1.5µm で 4dB/km や1040 nm で 10.5dB/km の PBGF がなど報告されている[5,6]。しかし、これらは希土類イオンが添加されていない。希土類イオンを添加すると 1 桁伝送損失が大きくなると言われている中で伝送損失

Yb‐SC‐PBGF‐2-70

D = 26 cm-80-90
1000

1Small signal gain [dB/m]

2Straight

1178 nmTransmission [dB,arb.units]-60

Polarizer
1178nm‐FRL26cm
Fiber coupled
LD@975nm

HT<1100nm
HR@1178nm

Length=37m

HR@>1000nm

λ/2

OutputFig.3-11 1178 nm 直線偏光増幅器の構成図

01300

11001200
Wavelength [nm]Fig. 3-8 曲率による透過バンドの狭帯化と小信号利得スペクトルが 1178 nm で 0.02dB/m 以下に抑えられたことは驚くべきことである。
Yb-PBGF-2(長さ 37m)に直径 26cm の曲率を波長1178 nm のランダム偏光光増幅実験を行った。増幅器の構成に関しては Yb-PBGF-1 による増幅器とFig.3-12 最大出力時での近視野像同じである。その出力結果は Fig.3-9(青線)のようになり、シード光入射パワー4W のときスロープ

Yb-PBGF-2 の B 添加ロッドの配列方向と平行にし効率 58％、最大 30W の出力に成功した。この出てコアに結合させた。

力は Yb 添加ファイバーを用いた 1178 nm レーザ

光増幅の結果、出力特性は Fig.3-9 の赤線のようーとしては世界最大出力であった。また、最大出になり、シード光入射パワー2W のときスロープ
力時での出力スペクトルは Fig.3-10 のようになり、 効率 56％最大 28W の出力が得られた。このとき
寄生発振はおろか ASE すら見られなかったことか

出力スペクトルはランダム偏光の増幅と同じ出力

ら ASE フリーで高出力・高効率光増幅できたといスペクトル(Fig.3-10)が得られ、直線偏光光増幅にえる。

関しても ASE フリーの高出力・高効率光増幅に成次にシード光を直線偏光化し光増幅を行った。増功した。この結果より本研究で目標としていた幅器の構成を Fig.3-11 に示した。1178 nm-FRL か

1178nm 直線偏光レーザーを 20W 以上出力するとら出射したレーザーをポラライザーに通し直線偏いう目標は達成された。Fig.3-12 に最大出力時で光化した。そのあとλ/2 板を通過させ偏光方向をの近視野像を示した。M2 は測定の結果 1.1 以下であったことから、シングルモードが出力されてい30ると考えられた。

Output power[W]25Random polarization

20

3.315

これまでの光増幅の結果を、伝送損失と以下の式

Linear polarization10で定義される引き出し効率の関係でまとめた。

50010203040
Launched pump power [W]50

Fig.3-9 Yb-PBGF-2 による光増幅出力特性
0Intensity [dB arb.units]考察η ext =

Pout − PinPpump

それが Fig.3-13 である。ここに計算したものと比較すると 1156 nm 光増幅、1178 nm ランダム偏光-20増幅、1178 nm 直線偏光増幅の 3 つともに計算結-40

No ASE

果と見事に一致した。このことから、今回の結果は理論どおりの増幅が行えたと言える。また、こ-60
10001050

1100
1150
1200
Wavelength [nm]1250

Fig.3-10 最大出力時での出力スペクトルの図から PBGF の低損失化というのが非常に重要であることもわかった。利得の小さな長波長域でープ効率 49.5％最大出力 3W を得ることに成功しExtraction efficiency [%]7060

Random polarization

5040た。更なる高出力化のため、第 2 の方法として1156 nm amp
Yb-PBGF-1

Yb-PBGF による ASE を抑制した光増幅器を開発

Linear polarization

30した。Yb-PBGF-1 においては 1156 nm 光増幅した

200

結果スロープ効率 66％最大 32W を出力し PBGF

1178 nm amp
Yb-PBGF-2100.01Fig.3-130.1
Propagation loss [dB/m]

1

伝送損失に対する引き出し効率

Output power [W]50400製に成功した結果、1178nm 光増幅したところランし、直線偏光においてはスロープ効率 56％最大出力 25W を ASE フリーで得ることができた。この200送損失が 0.02dB/m 以下と非常に低損失の PBGF 作ダム偏光ではスロープ効率 58％最大 30W を出力

Calculation

3010からの世界最大出力を記録した。Yb-PBGF-2 は伝Measurement
1178 nm Linear pol ari zati on amp
20406080
Launched pump power [W]100Fig.3-14 1178 nm 直線偏光増幅出力の計算結果との比較結果より目標値を達成することができたと言える。
これらの結果は、出力の大きさだけではなく、Yb
添加ファイバーの 1030nm 付近の利得に対し㏒スケールで 60 分の 1 以下の利得をもつ波長で、高利得域で発生する ASE を抑制して、なおかつ高効率高効率なレーザー動作させるためには少なくともで光増幅したということに大きな意味を持つ。従0.1dB/m 以下の伝送損失が必要であると考えられ来のファイバーでは実現できなかった、波長による。ASE を抑制するためには高利得域に 100dB/mる高コントラストの損失分布を与えることができ以上もの損失を与える必要がある一方で、レーザるこの PBGF の技術によって、レーザー発振できー動作させる長波長域では 0.1dB/m 以下の伝送損る波長が大きく広がったと言える。

失が求められた。それに対し本研究ではその条件を満たす、損失分布が非常に高コントラストの5. 今後の展望

Yb-PBGF の作製に成功したことが ASE フリーで3.で述べた Yb-PBGF による光増幅器のシード光源高出力・高効率光増幅できた大きな要因であるとを 1178 nm-FRL から 2.で述べた高反射率 Yb ファ考えられた。1178nm 直線偏光増幅の出力特性につイバーレーザーに改良し狭線幅化された高出力レ

いて実験値と計算値を比較すると Fig.3-14 のようーザー光増幅を行う。その研究は進行中であり、に一致しているため、ASE フリーで光増幅できた

現在その光増幅によって 9W の出力が得られていことからも、更なる高出力化が可能であり、100Wる。また、その光を非線形光学結晶の励起することで 45W 以上の出力が得られると考Periodically-Poled MgO-doped LiNbO3(PPMgOLN)えられる。

を用いて第 2 高調波の 589nm 光を発生させたとこ

4. 結論
本研究では、LGS の要求値である出力 10W 以上の 589 nm レーザーを得るため、20W 以上の 1178nm 直線偏光レーザーを出力することを目標とし、ろ、1.4W の出力が得られた。今後は 589nm 光の高出力化を進めるために Yb-PBGF へのシード光入射結合効率の改善や PPMgOLN と PeriodicallyPoled stoichiometric lithium tantalite の 2 つの結晶を用いた第 2 高調波発生を行う予定である。

Yb 添加ファイバーレーザーの開発を行った。第 1の方法として高反射率共振器による ASE を抑制した 1178 nm 直線偏光 Yb ファイバーレーザーを開発した。直交融着法により偏光子なしの全ファイバー直線偏光レーザー共振器の構成が可能となった結果、共振器内損失が 0.33dB に低減され、スロ

参考文献
1.
1. A. B. Rulkov et al, Optics Express, 15, 9, 5473 (2007)
2.
D. Georgiev et al, Opt. Express 13, 6772-6776 (2005)
3.
A.S. Kurkov, Laser Phys. Lett. 4, No. 2, 93–102 (2007)
4.
丸山裕輝, 平成 20 年度修士論文
5.
R. Goto et al, Conference OFC 2006, OML7
6.
J. K. Lyngsø et al, conference CLEO2008, CThV1