光ファイバのブリルアン利得スペクトルの測定
電子工学科 植田研究室 山原 佳晃
1． 序論

時、回折格子が音速で動くことに伴い、ストークス光は、光ファイバの非線形現象の 1 つである、誘導ブリルアンドップラシフトによって低周波数側にシフト(ブリルアン散乱(SBS)は、ファイバ中を伝搬する信号光の強度限界をシフト)される。これがブリルアン散乱である。入射光パワ決めてしまう現象であり、1972 年に発見されて以来、光フーがある特定の閾値(SBS 閾値)を超えると、その大部分がァイバ通信、ファイバ増幅器、ファイバレーザの信号光のストークス光パワーに変換されてしまうため、出射光が大高強度化を進める上で大きな障害となっている。現在、きく制限されてしまう。この現象が SBS である。このとき、我々が開発中の、レーザガイドスターとしての応用が期待ストークス光の成長はされる、波長 1178nm 単一周波数フォトニックバンドギャ

dI s  g B  I p I sdz

ップファイバ(PBGF)増幅器(図 1)もその 1 つであり、SBS(2.1)

が高強度化(~50W)の大きな妨げとなっている。そのため、で表される。ただし gB はコア媒質のバルクのブリルアン利光ファイバの SBS 特性を評価することが急務となってい得係数、I p はポンプ光エネルギー、Is はストークス光エネる。ブリルアン利得スペクトル(BGS)は SBS に関する多くルギーである。ここで、コア媒質のファイバ固有のブリルの情報を持っているため、光ファイバの SBS による影響をアン利得係数 CB(ν)(以下、ブリルアン利得係数)として、フ評価する上で、その測定が重要な課題となっている。このァイバの有効コア断面積 Aeff を用いてような背景のもと、本実験では、波長 1178nm における BGS

g B  Aeff(2.2)

dI s CB  Pp I sdz

(2.3)C B   

測定器を作製し、2 種類の 1μm 帯のシングルモードファイバ(Germanosilicate ファイバ、Phosphosilicate ファイバ)のとおくと、(2.1)式はBGS を測定し、それらの SBS 特性を評価したので報告する。と書き換えられる。ただし Pp はポンプ光パワーである。この式からわかるようにストークス光の成長は CB(ν)によって特徴づけられている。この CB(ν)は、ブリルアンシフト(ν=νB)にピーク値 CB(νB)、線幅⊿νB のファイバ固有のスペクトルをもつ。これが BGS である。

図 1．波長 1178nm 単一周波数 PBGF 増幅器

2． 原理
初めに SBS と BGS の原理について示す。ファイバにコヒーレントな光が入射すると、これがポンプ光として働く

図 2．ブリルアン散乱

ため、密度揺らぎによる格子振動の音波(音響モード)が生

次に BGS 測定の原理を示す(図 3)。上記の原理に従い、じる。それがコアの屈折率の周期的な変調、すなわち回折ファイバにポンプ光としてコヒーレント光を入射すると、格子を作り出し、この回折格子によって入射光がブラッグファイバ中で SBS によるブリルアン利得が励起される。こ回折され、後方散乱光(ストークス光)が生じる(図 2)。散乱のとき反対側からプローブ光を入射すると、その光はブリ1

ルアン利得帯域内で増幅される。そのときのプローブ光の初めに ECLD のパワー特性を測定した(図 5)。パワー成長は特性にはプラトーが見られた。これは電流増加によるモI probeL   I probe0e

CB Pp L

(2.4)

ードホップと考えられ、このことから ECLD の温度不安となる。ただし Iprobe はプローブ光エネルギーである。ここ定性が確認された。また最大出力は電流 800mA 時ででブリルアン利得 GB(ν)として23.6mW である。

GB    C B  Pp(2.5)

25を用いると、(2.4)式は20

(2.6)

Power [mW]

I probeL  I probe0e GB Lとなる。実験では、プローブ光の増加よりブリルアン利得GB(ν)スペクトルを求め、(2.5)式を用いて BGS を導出した。

151050200300400500600700800

Current [mA]

図 5．ECLD パワー特性
図 3．プローブ光の成長

次に ECLD のモードホップ特性を測定した(図 6)。ピ
3． 実験

エゾに電圧をかけ、回折格子を回転させ、そのときの波

3.1．波長可変外部共振型半導体レーザ(Tunable ECLD)長を波長計(Anritsu MF9630A)により測定した。その結果、後述の BGS 測定器のプローブ光源(図 9)を構成した。

連続波長掃引幅は 4.11GHz(0.019nm)であった。これは予

この光源は BGS 測定のために、狭線幅(<<⊿νB)かつ波長測されるブリルアン利得スペクトル幅(40MHz)よりも十可変(連続波長掃引幅>⊿νB)であることが必要とされる。

分広い掃引幅であるため、実験の要求値を満たしている

この要求を実現させるため、外部共振器型半導体レーザと言える。

(ECLD)を用いた。

1178.31構成した ECLD(図 4)は、長さ 4mm の量子ドットゲイ
1178.305

Wavelength [nm]ンチップ片側端面(3%AR コーティング)と回折格子により外部共振器を組んでおり、ピエゾに電圧をかけ、回折格子を回転させることで波長を変えられる構造になっている。また、共振器長は 55mm であるため、縦モード

1178.31178.295

1178.29間隔は 2.7GHz である。ウェッジウィンドウを挿入する

1178.2851ことで、ビームの煽りを調節できるよう構成した。次に2345678

Piezo voltage [V]構成した ECLD の特性評価を行った。

図 6．モードホップ特性

最後に ECLD の線幅を測定した。測定方法には遅延自己ヘテロダイン測定法を用いた(図 7)。ECLD の出力光はカプラで 2 つに分けられ、一方は 4km 遅延ファイバへ入射し、もう一方は AOM で周波数シフト(80MHz)される。その後、両光を、ビームスプリッタ(BS)を用いて再度重ね合わせ、フォトダイオード(<16GHz)(サイエンスツルメント DSC40S)で光電変換し、ビートを RF スペ

図 4．ECLD 構成図

2

クトルアナライザ(RSA)(Anritsu MS2667C)で測定した。

3.2．BGS 測定

また、測定器の分解能は 4km の遅延ファイバを用いた

3.1 で構成した ECLD(中心波長 1178nm、線幅 190kHz)

ためをプローブ光源(中心波長 1178nm)として用いて BGS 測 定器を作製した(図 10)。ポンプ光源には本研究室で開発c 51.7kHz ...(3.1）
nLされたファイバラマン増幅器(FRA)(波長 1178nm、線幅である。ただし、c は光速、n はコアの屈折率、L は遅200kHz)を使用した。ポンプ光はカプラで 2 つに分けら延ファイバ長である。

れ、一方はテストファイバ(FUT)で SBS によるブリルア得られたビート信号(図 8)を、規格化しローレンツフン利得を励起し、もう一方は RSA へ入射する。プローィッティングを行うことで線幅を測定した(図 9)。そのブ光は、FUT でブリルアン利得帯域内において増幅され結果、電流値 270~300mA 時、線幅 190kHz であった。こた後、カプラで 2 つに分けられ、一方はパワーメータ

れは予測されるブリルアン利得スペクトル幅よりも十(Tektronix TDS540S)へ、もう一方は RSA へ入射する。プ分狭い線幅であるため、実験の要求値を満たしているとローブ光の周波数を連続掃引しながら、パワーメータで言える。

ブリルアン利得による増幅光を測定し、RSA で両光のビート周波数からブリルアンシフトを測定することでGB(ν)スペクトルを求めた。また、各光源の直後にアイソレータを挿入した。これは、戻り光ならびに、もう一方の光源からの光の入射を阻止するためであり、プロー
ブ光源に関しては、ポンプ光源からの強い入射光を阻止するために、1 段目にファラデー回転子を偏光子で挟んだ反射型アイソレータを、2 段目に吸収型アイソレータ

図 7．遅延自己ヘテロダイン測定法実験図

Intensity [dB]を挿入した。そして、偏光コントローラを用いて、FUT-90でのポンプ光とプローブ光の偏光状態を調節した。プロ-95

ーブ光パワー0.4mW に対し、ポンプ光パワーを 57.3,76.5,-100

107.7,139.9,205.1,252.7mW と変化させ測定した。FUT に-105

は、コアの添加物が異なる 2 種類の SMF(Germanosilicate-110

ファイバ、Phosphosilicate ファイバ)(表 1)を用いた。

-115
77787980818283

Frequency [MHz]図 8．ビート信号

1

Normalized intensity

0.80.60.4

図 10．BGS 測定器

0.2078.0 78.5 79.0 79.5 80.0 80.5 81.0 81.5 82.0
Frequency [MHz]図 9．ローレンツフィッティング

30.2

表 1．FUT の特性
MFD[um]Concentration

NA(@1178nm)[wt%]

Germanosilicate

6.960.14931

Phosphosilicate

6.720

0.11

1050

0.15

CutoffCB [/Wm]

Fiber

[nm]

0.1

0.05

013.2

13.25

13.3

13.35

13.4

13.45

Frequency [GHz]

図 12(b)．Phosphosilicate ファイバの BGS実験から得られた GB(ν)スペクトル(図 11(a)(b))と(2.5)
式から各ポンプ光パワーに対する BGS を求めた。その

表 2．BGS パラメータ

結果、BGS はポンプ光パワーに依らないことが確認され、ここでは例としてポンプ光パワー139.9mW 時の BGS を

Fiber

CB(νB) [/Wm]⊿νB [MHz]νB [GHz]示した(図 12(a)(b))。そして、各ファイバの BGS のパラ

Germanosilicate

0.284214.23

メータを示した(表 2)。この結果から、BGS は Germano-Phosphosilicate

0.186113.32silicate ファイバと Phosphosilicate ファイバで大きく異なることがわかり、コアの添加物によって SBS 特性は大き4． 結論

く異なることが分かった。コアへ P を添加した場合、Ge本実験では、波長 1178nm における BGS 測定器を作製し、を添加した場合と比べ、ⅰ)CB(νB)の低下、ⅱ)⊿νB の増

コアの添加物が異なる 2 種類の SMF(Germanosilicate ファイ大、ⅲ)νB の低下が見られた。ⅰ,ⅱから、コアに P を添バ、Phosphosilicate ファイバ)の BGS 測定を行った。その結加することで SBS 抑制効果が期待できると判明した。ま果、コアの添加物によって BGS は大きく異なることが確たⅲから、ファイバ中の音速が小さくなることが判明し認され、P を添加した場合、Ge を添加した場合と比べ、SBSた。

が抑制されるということが分かった。このことから、コアの添加物により、SBS を制御することが可能であると判明した。また、Phosphosilicate ファイバの BGS が測定された

0.08
57.3mW

57.3mW

76.5mW

0.07
0.06

107.7mW

139.9mW

139.9mW

205.1mW

205.1mW

257.2mW

0.03

GB [/m]0.05

GB [/m]

76.5mW

0.04

107.7mW

0.04のは、本実験が初めてである。

257.2mW

0.02

0.03
0.02

5． 展望

0.01
0.01
014.1

14.15

14.2

14.25

14.3

013.2

14.35

13.25

13.3

13.35

13.4

今後の課題としては、1 つ目は、より高精度で光源の波

13.45

Frequency [GHz]Frequency [GHz]

長調整不要な BGS 測定を行うことである。本実験ではポ

図 11．利得スペクトル(a)Germanosilicate(b)Phosphosilicate

ンプ光源、プローブ光源として別々の 2 つの光源を用いた
0.35

ため、各光源の周波数を安定化しなければならず、波長調

0.3

整に時間がかかると同時に高精度測定を難しくしていた。

CB [/Wm]0.25

これを解決するため、1 つの光源の光をカプラで 2 つに分0.2

0.15

け、一方をポンプ光、もう一方を変調しプローブ光とする

0.1

方法が挙げられる。この方法を用いることで高精度かつ波

0.05

014.1

14.15

14.2

14.25

14.3

長調整不要な BGS 測定を行う予定である。2 つ目は、本実

14.35

Frequency [GHz]験で作製した BGS 測定器を用いて、PBGF の BGS を測定

図 12(a)．Germanosilicate ファイバの BGSし、その SBS 特性を評価することである。

4