全正常分散モード同期ファイバーレーザーの作製とその増幅
⽩川研究室 相川 展弘

1. 序論
ファイバーレーザーは, シリカガラスを⺟材とした円形導波路を伝搬するレーザーで, ⻑距離の信号伝送に向いており, 現在の光通信には⽋かせないものとなっている. 光ファイバーは⼀般に髪の⽑ほどの細さで,引っ張りに強く限度はあるが曲げたり巻いて使⽤することができる. さらに⼀般的な固体レーザーと⽐べ,⼩型で導波路構造により空間モードの安定性があり,ファイバーの体積に対して表⾯積が⾮常に⼤きいた

図 1.1 同期励起モード同期ファイバーレーザーのめ冷却効率に優れている. さらにファイバーのコア部構成例[1]に希⼟類⾦属イオンを添加した希⼟類添加ファイバーを⽤いることで増幅媒質として機能しファイバー増幅を可能にする. ⼀⽅で, 光がコア内に閉じ込めら2. 原理れるため⾼い強度の光によってファイバーが損傷し2.1 モード同期てしまうという問題がある.

光パルスは, ⾮常に短い時間の間, 出⼒される光の本研究の⽬的は同期励起モード同期ファイバーレことである. 特に, 複数の周波数でのレーザー発振ーザーの開発である. 同期励起モード同期とは, マス(多モード発振)において, それぞれの周波数間隔を等ター発振器, スレーブ発振器からなり相互位相変調をしくし位相を揃えていくことで連続した光パルスを通じてモード同期を⾏う⼿法であり, 近年報告されて発⽣させる⼿法をモード同期と⾔う.

いる[1]. 同期励起モード同期ファイバーレーザーの本実験では可飽和吸収素⼦(SA)と⾔う⾼強度の光構成例を図 1.1 に⽰す. これにより, 既にモード同期を透過し, 低強度の光を遮断する素⼦により損失を与動作しているマスター発振器の繰り返し周波数を調えモード同期を達成させる受動モード同期を発⽣さ整することにより全ファイバー化されたスレーブ発せた. SA には, ⾮線形偏波回転, 半導体可飽和吸収ミ振器の繰り返し周波数を決定することができる. 今回ラー(SESAM), カーボンナノチューブ, グラフェンなはそのマスター発振器として全正常分散モード同期

どがある.

ファイバーレーザー(ANDiFL)の作製を⾏った.また,安定したモード同期を起こすためには, 損失の変調

ANDiFL から取り出した出⼒を増幅するための増幅周波数を共振器のパルスの往復時間の逆数(周波数)と器の作製を⾏った.

等しくする必要がある. 受動モード同期では, パルス⾃⾝が損失に変調を与え, ⾃動的にモード同期することができる(図 2.1).

1

損失変調

パルス強度時間

図 2.1 パルスの往復時間と等しい周期でかかる
損失変調

図 2.2 共振器内でのスペクトル形状のシミュレーション結果[3]2.2 全正常分散モード同期ファイバーレーザー
通常, 超短パルスレーザーを発⽣させるためには,スペクトルフィルタを通過する際(a), フィルター群速度分散(GVD)を補償する必要がある. 例えば, 光の透過率のカーブに沿いガウス型の形状を取るようファイバーの正常分散をプリズム, 回折格⼦, チャーになる. その後 SMF を通過し, このとき⾃⼰位相変プミラーといった異常分散媒質により群速度分散を調によりスペクトル幅が広がる(b). 利得ファイバー補償し超短パルスレーザーを発⽣させる. しかし,で増幅され(b)~(c), 再度 SMF へと伝搬する. このANDiFL(ANDi 共振器)を構成する光学素⼦は全て正SMF では⾃⼰位相変調による⾮線形位相シフトを受常分散を⽰しており分散補償を⾏う必要がない[2].

けスペクトルの端に鋭いピークが発⽣する. その後,ファイバー中では, ⾃⼰位相変調や相互位相変調にスペクトルフィルタによってピークがカットされ元よって直線偏光の光がファイバーを伝搬しているとに戻る.

き⾮線形位相シフトを受ける. これによってファイバ

ANDi 共振器は正常分散媒質のみで構成されているーを伝搬中に偏光が変化する. このような偏光変化のため群速度分散の影響でパルスのチャープは⼤きく効果を⾮線形偏波回転という. ⾮線形位相シフト量は,なっている. パルス幅は主に最初の⻑い SMF で単調光強度に依存し, 光強度の⾼い成分の偏光は, 低い成に増加する. そしてスペクトルフィルタによって波⻑分より⼤きく回転する. 1/4 波⻑板により, 偏光状態の広がりが⼩さくなることでパルス幅が短くなり元が変わり, 光強度の強いパルス(中⼼部分)が偏光⼦をのパルス幅と⼀致する. パルス幅もスペクトルも共振通過し, 光強度の弱いパルスの裾部分が除去される可器を⼀周して元に戻るため定常発振が可能となる.

飽和吸収によって短パルス化が可能となる.
図 2.2 は, ANDi 共振器におけるスペクトル形状の3 実験変化を⽰している[3].

3.1 ANDi 共振器の作製とスペクトルフィルタ実際に作成した ANDi 共振器の配置図を図 3.1 に⽰す.

2

図 3.3 BPF 使⽤時のスペクトル1030 nm

Isolator

WDM

LD976 nm

980 nm
980 nm/1030 nm

WDM

このとき, 出⼒が 5 mW, スペクトル幅が 14 nm, 繰1030 nm
QWP

Isolator

PBS

り返し周波数 𝑓!"# = 15.28 MHz であった. スペクト

HWP QWPル形状が複雑であるため, スペクトル幅は 20 dB 幅

FC/APCYb doped fiber(ピーク強度の 1%)とした.

FC/APC
Spectral Filter

次に, BRF(5 mm, 5 + 3 mm)を使⽤したときのスペ

OpticalSpectrum
AnalyzerBS

クトルを図 3.4 に⽰す.

Oscilloscope
1.2

図 3.1 実際に作成した ANDi 共振器の配置図

ア径 5 μm)を使⽤し, 共振器⻑約 13 m のリング型

0.80.80.60.425 nm

0.60.40.20.01025

している. スペクトルフィルタとして公称値, 中⼼波

10301035
Wavelength [nm]1040

0.010101020

1030
Wavelength [nm]10401050

図 3.4 BRF 使⽤時のスペクトル⻑ 1030 nm, 透過幅 3 nm のバンドパスフィルタ

左図: 厚さ 5 mm, 右図: 厚さ 5+3 mm(BPF)と厚さ 5 mm, 3 mm の複屈折フィルタ(BRF)を使⽤した. それぞれの透過特性の測定結果を図 3.2 に出⼒はそれぞれ 24.9 mW, 34.0 mW, スペクトル幅⽰す.

は 11.5 nm, 25 nm となり, フィルタの透過幅によって1.21.2

11.00.80.8

スペクトル形状が⼤きく変わることが確認できた.

5 mm

Intensity [a.u.]

5 + 3 mmIntensity [a.u.]

1.00.2共振器を作製した. PBS は偏光ビームスプリッタを表

4 nm

BRF の厚さ 5 + 3 mm のパルス列と RF スペクトル0.40.20.2を図 3.5 に⽰す.

13 nm

0.60.4010201.0

Intensity [a.u.]

Intensity [a.u.]

利得ファイバーとして Yb 添加ファイバー(1 m, コ

0.6

1.2

11.5 nm

8 nm

0.010251030
Wavelength [nm]10351040

1005

101510251035
Wavelength [nm]10451055

20 dB

図 3.2 スペクトルフィルタの波⻑透過特性50 μs

左図: BPF, 右図: BRF
3.2 BPF と BRF を⽤いたモード同期

図 3.5 BRF の厚さ 5 + 3 mm のパルス列とスペクトルフィルタと⾮線形偏波回転による受動RF スペクトルモード同期を達成させた. 初めに, BPF を使⽤したときのスペクトルを図 3.3 に⽰す.

パルス列の形状に乱れがあり, RF スペクトルでは左1.2右の⼤きなサイドバンドが⽬⽴ち, ピークと雑⾳の差

14 nm

1.0が 20 dB 程度であるため⾮常に不安定なモード同期でIntensity [a.u.]

0.8あると考えられる.

0.6さらにモード同期の安定化と出⼒の増加を図るた

0.4め, ファイバー⻑を短くした. Yb 添加ファイバーの⻑0.2

さは変更せず, 共振器⻑約 10.7 m となった. このときのスペクトルと RF スペクトルを図 3.6 に⽰す.

0.0102010251030
Wavelength [nm]103510403図 3.8 635 mW 励起時のスペクトルと1.2Intensity [a.u.]

RF スペクトル

22 nm

10.833 dB

0.6

アイソレータ通過直後の出⼒が 22.5 mW, 増幅され0.4た光の出⼒が 266.4 mW となり増幅率は約 11.8 倍と0.201010

10201030
Wavelength [nm]1040なった. しかし, 増幅後の RF スペクトルの中⼼部分1050の線幅が広がっている. これは増幅時のわずかな戻り光でモード同期が不安定化している可能性があり, 増図 3.6 ファイバー⻑変更後のスペクトルと幅時の共振器からの光を観測する必要がある.

RF スペクトル(BRF 5 + 3 mm)

4 まとめ共振器⻑が短くなったことにより𝑓!"# = 17.6 MHzと⼤きくなっただけでなく, 出⼒が 62.7 mW と 2 倍ANDi 共振器の作製とモード同期, その増幅に成功

近く増加した. また, RF スペクトルの形状からモードした. 複屈折フィルタを 2 枚使⽤することでスペクト同期がわずかに安定化したと考えられる.

ル幅の広帯域化と出⼒の増加を達成した. また, ファイバー⻑を短くしたことにより繰り返し周波数のみ3.3 増幅器を⽤いた出⼒特性でなく出⼒の増加とモード同期の安定化を確認した.

図 3.7 に増幅器を含めた実験構成図を⽰す.
HWP

Isolator

さらに, 増幅を⾏ったところ増幅率がおよそ 11.8 倍

HWPとなったがモード同期が不安定化した可能性がある.

ANDi共振器

今後の展望として, 共振器と増幅器の構成を検討しモード同期の安定化と出⼒の増加を図る. また, パル
PM Yb doped fiber

FC/APCFC/APC

ス幅の測定と評価を⾏う. さらに, 共振器⻑を可変と1064 nm

することで ANDi 共振器のパルスの繰り返し周波数もDetector可変とし, 同期励起モード同期ファイバーレーザーの980 nm/1064 nm

開発を⾏う.

WDM
980 nm5 参考⽂献Isolator
LD
976 nm[1] S. Huang, S. Zheng, J. Wang, H. Chen, F. Dong, L.

図 3.7 増幅器を含めた実験構成図

Yu, X. Luo, X. Guo, P. Yan, J. Wang, Y. Lei, W. Liu, Q.
Lue, C. Guo, S. Ruan, “Tunable mode-locked Tm-

LD とアイソレータ部分を除き, 全て偏波保持ファdoped fiber laser based upon cross-phase modulation,”

イバーを使⽤した. ⾼出⼒化のため Yb 添加ファイバ

Optics Express, Vol. 30, No. 18, pp. 32256-32266, 2022ー(2 m)のコア径を 10 μm とした.

[2] A. Chong, J. Buckley, W. Renninger, F. Wise, “All-LD の出⼒ 635 mW 励起で増幅を⾏い, そのときのnormal-dispersion femtosecond fiber laser,” Optics

スペクトルと RF スペクトルを図 3.8 に⽰す.
1.2Express, Vol. 14, No. 21, pp. 10095-10100, 200818 nm

[3] A. Chong, W. H. Renninger, Frank W. Wise,Intensity [a.u.]

131 dB

0.8“Properties of normal-dispersion femtosecond fiber

0.6lasers,” Journal of the Optical Society of America B, Vol.

0.4

25, No. 2, pp. 140-148, 2008

0.2
01010

1020

1030
1040
Wavelength [nm]10504