位相同期モード同期マルチコアファイバレーザーの研究
白川 晃研究室 清水 総士郎
1

序論

合され輝度加算を実現するモードである。そのたファイバレーザーは導波路構造、エネルギー変め、高出力パルスの発生において in-phase モー換効率が高い、小型化可能という点で高平均出力ドの選択励振と CW モード同期の同時実現が重要動作に優れている。一方でコアが小さいことからとなる。

強い非線形性やファイバーの破損といった問題が本研究の目的としては、近年本研究室で取り組生じてしまう。PCF(Photonic Crystal Fiber)にまれてきた MC-PCF の研究を踏まえながら、位よってコアの大面積化が進み高出力化が進んだ

相同期マルチコアファイバーのさらなる高出力化が、大面積化にも限界が生じたため更なるパワを目指していくことである。本研究室では可飽和ー・エネルギースケーリングのためにコアの拡大吸収体のみによって、全正常分散(ANDi)発振器に加えてコアの加算によるビーム結合、コヒーレ構成において位相同期モード同期の同時実現を世

ントビーム結合(CBC)が注目されている。

界で初めて実現した[1]。しかし不安定な CW モ

本研究室では一本のファイバーに複数のコアをード同期であったため外部共振器の構成を改める持つマルチコアファイバー(MCF)とコア径を拡大ことで高品質なモード同期を目指す。

してもシングルモード伝搬可能な PCF の特性を2.原理併せ持つマルチコアフォトニック結晶ファイバー(MC-PCF)を用いた空間的なビーム結合での CBC

2.1 Yb ファイバレーザーの研究を行っている。本論文では 7core-MC-PCF

本研究で用いられたイッテリビウム(Yb)添加フを用いる(図 1)。

ァイバーは Yb3+イオンをシリカガラスに添加した利得ファイバーである。Yb3+イオンは量子効率がほぼ 1 で、準三準位系のため量子欠損も小さい、
そのため単位レーザー出力当たりの熱発生量が抑えられる。ファイバレーザーは導波路構造により横モードが制御されているため、熱レンズ効果などのビーム品質の低下を抑えられる.。Yb 添加フ

図 1 7core-MC-PCF 断面図

ァイバーの吸収断面積と放出断面積を以下の図 2に示す。Yb ファイバレーザーは非常に広い吸収帯と発光帯を示し,吸収範囲は 800~1060nm, 発光範

隣接したコア同士がエバネッセント結合を発生させ、位相同期が維持されることで CBC とな

囲は 900~1200nm である。このように幅広い吸収る。MCF における固有モードであるスーパーモスペクトルを持つため, 様々な波長の励起用 LD をードはコアの数と同数のモードを励振し、その中用いることができる。吸収、誘導放出波長のピーでもコアを伝搬するビームの相対的位相差が 0 で

クは ともに 975 nm となっている. 加えて Yb3+レある in-phase モードは遠視野で単一ピークに結ーザーは励起波長と発振波長が近く、量子欠損が1少ないために高効率動作が可能である。一方、発振波長において吸収があるため再吸収が発生してしまう側面もある[2]。

Cross section(10-20cm2)

3.532.52
1.5Absorption

1

図4Emission(上)近視野規格化強度分布(下)遠視野規格化強度分布[1]0.50-0.5 7508509501050

本研究では図 4 における in-phase モードを選択励

1150

Wavelength(nm)振するため可飽和吸収体を用いた。可飽和吸収体

図 2 吸収断面積と放出断面積(SA:Saturable Absorber)は光の強度が低い入射光の場合には吸収体として働き、強度が高い入射光の場合

2.2

フォトニック結晶ファイバーには吸収が飽和することで吸収量が小さくなる媒質でPCF は光の伝搬の仕方によって屈折率導波型とフある。可飽和吸収体を用いた in-phase mode の選択励ォトニックバンドギャップ(Photonic Bandgap Fiber:

振の概念図を図 5 に示す。

PBF)型の 2 種類(図 3)に分けられる[3]。屈折率導波型は従来のステップインデックスファイバ同様に、空孔とガラスの有効屈折率とガラス自体の屈折率差によってコアに光を閉じ込めることで伝搬させる。
従来との違いはコアとクラッドの屈折率の差である。一方、PBF はブラッグ反射によって光をコアに閉じ込め伝搬させるものであり、コアが低屈折率領
図 5 各モードの可飽和吸収体の位相同期の概念図域であっても伝搬させることができる。

図 5 のように可飽和吸収体の in-phase mode とその他のモードの間に可飽和吸収体の飽和フルエンスが存在するように調整することで、in-phase modeのピーク出力が優先的に透過する。そのため in図 3 PCF(屈折率導波型) (左),phase mode の選択励振を起こすことができる。

PBF(空孔型) (右)構造[4]2.42.3

半導体可飽和吸収ミラー (SESAM)

可飽和吸収体による in-phase モードの選択励振

半導体可飽和吸収体と特定の波長の光だけを反射

MCF において、各コアの伝搬光は共通の伝搬定数するブラッグ反射鏡を組み合わせたものを半導体可でコアを伝搬し、コアから染み出すエバネッセント

飽和吸収ミラー (Semiconductor Saturable Absorber

光によって、隣のコアと結合する。この結合によりMirror, SESAM)といい、受動モード同期にしばしばMCF のコアと同数の固有モード(スーパーモード)が用いられる。SESAM の典型的な構造は GaAs を基盤励振する。スーパーモードの中で有効屈折率の最もとして、GaAs や AlAs を重ねることで形成されるブ高いものを in-phase モード、有効屈折率の最も低いラッグ反射層と InGaAs などの単一量子井戸から形モードを out-of-phase モードと呼ぶ。図 4 に、成される吸収層から構成される(図 6)。

7core-MC-PCF のスーパーモードの遠視野領域、近視野領域それぞれにおける規格化強度分布を示す。
2

図6

SESAM の概要図
図８ 共振器構成(0°クリーブ)

3. 実験結果
本研究で用いた 7coreMC-PCF の特性を表 1 にまと

この時の入出力特性を図 9 に示す。

める。

3.5

Output Power(W)

表 1 7coreMC-PCF
21.2 μm
13.3μm
5.6 μm0.42165μm
3000ppm

コア径空孔間隔Λ
空孔径 dd/Λ
第一クラッド径
Yb 添加濃度3

励起：11.7W
出力：3.04W
スロープ効率：0.64

2.521.510.500性を調べ、7coreMC-PCF への注入効率を調べるため

また、発振後スペクトルと近・遠視野像を図 10・11に 30cm ほどのサンプルを用いて測定した。 その結に示す。

果を図 7 に示す。レーザー閾値は4.67Aであり、ファIntensity(a.u.)

イバーへの注入効率は 61%だった。以降はこの注入効率を用いて測定の励起パワーとした。
70

Output Power P/W15

図９ 入出力特性(0°クリーブ)

励起光源に用いた中心波長 975nm の LD の出力特605040510Launched Power(W)10.80.60.40.201035●LD104010451050

Wavelength(nm)30

図 10 スペクトル発振後

2010■7coreMC-PCF(30cm)

002040Current I/A60

図７ LD 及び 7coreMC-PCF 注入後の出力特性3.1

図 11 近・遠視野像

０°クリーブ

複数の波長が生じており、近・遠視野像から in-

7core MC-PCF を 3m に切り分け、両端を 0°クリ

phase モードではないピークが見て取れるため、波ーブしファブリペロー型共振器を組んで測定した。

長および偏光選択を行うことで in-phase モードの選択励振と CW モード同期の獲得を目指した。

33.2 CW モード同期実験
励起光出射側を寄生発振の抑制のため 8°クリーブし、波長・偏光選択を偏光ビームスプリッター(Polarizing Beam Splitter:PBS)およびバンドパスフ
ィルター(Band Pass Filter:BPF) を導入することで外部共振器を組んで測定した(図 12)。

図 14 近・遠視野像

図 15 (右)100ns(左)40ns
図 12 共振器構成(8°クリーブ)

近・遠視野像から in-phase モードを主体とした励振を確認できたが、時間波形は Q スイッチモード同用いた SOC の特性を表 2 に示す。
表2期を示しており、CW モード同期を得ることはできな

Saturable Output Coupler (SOC)特性かった。
４．まとめと今後の展望
7coreMC-PCF を用いてファブリペロー型共振器を構築し、外部共振器、SESAM を取り入れ、Q スイッチモード同期を得た。in-phase モードに近しい選択励振を確認した。
今後の展望としては CW モード同期を得られていOutput Power(W)

測定結果は次の通りであった。

ないため、SESAM の変更や外部共振器のアライメントの見直しなど調整を行っていく。また、分散補償

76543210励起：11.7W

素子導入による高品質な CW モード同期の実証を目

出力：4.74W指す。

スロープ効率：0.74

5. 参考文献[1] 川村 朋念, “可飽和吸収体による位相同期モード同

0510Launched Power(W)期マルチコアフォトニック結晶ファイ バーレーザ

15ー”,電気通信大学大学院,修士論文(2021).

図 13 入出力特性(8°クリーブ)[2] T. C. Newell, P. Peterson, A. Gavrielides and M.

また、発振後スペクトルと近・遠視野像を図 1４・

P. Sharma, "Temperature effects on the emission

Intensity(a.u.)

15 に示す。

properties of Yb-doped optical fibers", Optics
Communications. 273(1), p.256-259 (2007).

10.8[3] 中沢正隆, “フォトニック結晶ファイバーの特性と0.6

その応用”, 応用物理学会誌, 73(11), p.1409–1417

0.4(2004).

0.2
01020

1030

1040

[4]藤田盛行，田中正俊，山取真也，鈴木聡人，小柳

1050

Wavelength(nm)繁樹，山本 哲也, “フォトニック結晶ファイバ（1）”，

図 13 入出力特性(8°クリーブ)

三菱電線工業時報, 99, p.1-9 (2009).

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