2008 年度 ETL

光ファイバー増幅器とレーザー発振
植田研究室

M1 井上雅行

内容① 希土類添加ファイバーアンプとレーザー発振の違い② ファイバーカップラーの原理③ エリビウム添加ファイバーを用いた増幅器を作る④ 共振器を作りレーザー発振する① 希土類添加ファイバーアンプとレーザー発振の違い
今日、通信などの分野で多く使われているファイバーは、コアとクラッドがあり、光の全反射を利用して光を端面から端面へと伝送している。損失などを考えなければ図 1 のように波長 A、強度 10 の光を片側から入射したらもう片方から波長 A、強度 10 の光が出射される。これは当たり前のことである。

10LD（波長A）10一般的なファイバー

図1
しかしこれが増幅器になると図 2 のような構成になる

種光増幅
希土類添加ファイバー

LD(波長B)

種光BA←
励起光

図2LD
(波長A)

・増幅器（アンプ）って何？
図 2 のように『励起光である波長 A の LD を用いて希土類添加ファイバーを励起してやることにより、種光である波長 B の光が増幅されて出てくる』という原理である。
今回行う増幅器の実験系は図 3 の様に希土類添加ファイバーとして Er（エリビウム）添加ファイバーを、励起光としては波長 1480nm の LD（Laser diode）、種光としては波長 1557nm の LD を用いる。

種光増幅
Er添加ファイバー

LD(1557nm)

種光1557nm1480nm←LD(1480nm)

励起光
図3では、なぜこのような波長を励起光や種光として用いるのかについてエネルギー準位図を用いて説明をする。
Er 添加ファイバーに添加された Er は Er3+となり図 4 の様な 3 準位系のエネルギー準位を持ち、始めほとんどの Er3+は E1 の基底準位にいる。

励起準位

E3 （1480nmの光で励起される準位）
E2
E1 基底準位（始めにいる準位）
図4

そこで、図 5 の様に 1480nm の光を吸収すると、基底準位にいた Er3+が 1480nm の光を吸収して励起準位に遷移する。

E3 励起準位（1480nmの光で励起される準位）

1480nmE2
E1 基底準位（始めにいる準位）
図5

E3 に励起された Er3+は E2 に落ち、やがて E1 に落ちてしまう。この E2 から E1 に落ちる際に図 6 の様に 1557nm の光を自然放出する。ただし、自然放出光の位相はバラバラで、このままでは増幅器やレーザーとしての利用はできない。

励起準位

E3 （1480nmの光で励起される準位）
E21557nm

E1 基底準位（始めにいる準位）

図6
そこで、図 7 のように、種光（1557nm）の光を励起された状態に入れると、E2 にいた Er3+が 1557nmの光により誘導放出して E1 に遷移する。その際、位相も種光とそろっていて結果的に出てくる光は入った光が増幅されたものになる。

励起準位

1557nmE3 （1480nmの光で励起される準位）
E2
E1 基底準位（始めにいる準位）

図7
このような原理で種光は増幅され、増幅器が成り立っている。

・共振器（レーザー発振）って何？
先ほどの増幅器の実験系を応用することにより、図 8 のような共振器を組む→

LD(1480nm)

1480nm

励起光

FBG
レーザー発振FBG

Er添加ファイバー

1557nm1557nm
反射ミラー1557nm反射ミラー（99.6％）（99.6％以下）

図8
増幅器を組む際に用いていた種光（1557nm）の光源は今回使用せず、励起光（1480nm）だけを光源として用いる。また、共振器を組む際に不可欠な FBG（Fiber Bragg Grating：ミラーのファイバーバージョンの様なもの）を用いる。今回用いる FBG は波長 1557nm の光のみを反射するもので図 8の様に片側は 99.6%の反射率（HR：High Reflection）、発振側はそれ以下の反射率（OC：OutputCoupler）のものを用いる。原理としては、『基底準位にいた Er3+が励起光（1480nm）の光を吸収して励起される。そのとき 1557nm の光が自然放出され、それが FBG により反射される。それが再びEr 添加ファイバーを通ると、誘導放出が始まり、やがて 1557nm の光は共振し、励起と誘導放出が安定（利得飽和）して位相のそろった一定強度の 1557nm の光を出し続けるレーザー発振が起こる。』というものである。

・まとめ・増幅器とは⇒励起光により種光を増幅する。その際、励起光の強度を上げていき、上準位が吸収飽和してしまえばそれ以上は増幅できない。
・レーザー発振とは⇒種光を使わずに、励起光と FBG を使って共振器を作る。一度レーザー発振を始めてしまえば利得飽和しているので増幅器と違い励起光を上げればその分発振強度も増す。

② ファイバーカップラーの原理
・動作と構造動作は？
10

中身は？

55

2本のファイバーは直接くっついてはいない!!

今回の実験のように波長による進行方向の依存性を示したり強度を分けたりする
図9今 回 の 実 験 で 用 い る 素 子 の 1 つ に フ ァ イ バ ー カ ッ プ ラ ー （ WDM ： Wavelength DivisionMultiplexing）というものがある。動作としては図 9 の様に、波長による進行方向の依存性を示したり、強度を分けたりするものである。しかし、その構造は 2 本のファイバーが近接しているだけで隙間があり、実際にはくっついていない。ではなぜこの様な構造でこの様な動作をするのだろう。

・動作と構造始めにも書いたようにファイバーは全反射をすることにより光を伝送する。つまり、ファイバー中の光は全て全反射条件を見たしているということになる。そこでファイバーカップラーの原理を理解するため図 10 の様なプリズムの全反射を考えてみる。

1010図 10綺麗に平らの面が出ているプリズムに対して図 10 の様に面に対して垂直以上の角度で光が入ると全反射条件を満たし強度 10 入射した光は下から出ることなく強度 10 反射して出て行く。しかし実際には、指数関数的に減衰する非常に弱い光（エバネッセント波）は染み出している。そこで、図 11 の様にもう 1 つのプリズムを波長程度にまで近づけるとどうなるだろうか。

105

波長程度
離れている

5

この距離を変えることにより・波長による進行方向の依存性・強度の分割比を制御できる

図 11
先ほどは染み出していた程度のエバネッセント波がプリズムを近づけることにより結合し、実際の光となって出てくる。波長程度まで誘電体が近づけばこの現象は起き、近づける距離を変えることによって、波長による進行方向の依存性や強度の分割比をも制御することができる。この現象は光のトンネル効果のようなものであり電子のそれと類似している。つまり、全反射しているとはいえポテンシャル障壁の高さは有限な値なので染み出しはあり、この状態に誘電体を近づけることにより光を一つ目のプリズムに閉じ込めているポテンシャルの障壁の高さを低くすることに対応するのだという。
この様な原理でファイバーカップラーも成り立っており、この考え方（近接場とも言う）は現在でも多くの分野に活用されている。

③ エリビウム添加ファイバーを用いた増幅器を作る

種光増幅
Er添加ファイバー

LD(1557nm)

種光←LD(1480nm)

励起光
図 12

④ 共振器を作りレーザー発振する→LD(1480nm)

励起光

FBG
レーザー発振FBG

Er添加ファイバー
1557nm
反射ミラー1557nm反射ミラー（99.6％）（99.6％以下）

図 13