ラマンファイバーとＣＷ白色光の発生
電子物性工学科

植田研究室

9724025

谷口篤

まえがき
近年、インターネットの普及によって情報通信量は飛躍的に増大しており、光通信システムの大容量化が望まれている。そのなかで TDM(時分割多重通信技術)や WDM（波長多重通信技術）といった大容量通信技術が現在主に考えられている。ソリトン伝送システム１が開発されたことによって時間のパルス幅を変えずに伝送することができるようになり、今では TDM を使っての 1Tbit/s 近くの通信が可能になってきている。しかし、さらに多くの情報を送るためにはソリトン・パルス伝送を使ったTDM だけでは限界があり、WDM を使う必要がある。
WDM は、現在通信でよく使われている 1.3μｍから 1.55μｍにおいて波長領域で信号を多重することによって、大容量光通信システムを可能にすることができる。しかし、WDM を使って長距離伝送するためには広帯域にしかも効率良く光増幅ができる増幅器が必要であり、その手段として RFA（ラマンファイバー増幅器）が有力だと考えられている。
この RFA の励起用の光源として我々は PDF(P-添加ファイバー)を用いたラマンファイバーレーザーを提案し、その研究を行った。またこのラマンファイバーレーザーに SMF(シングルモードファイバー)を融着することにより発振した、CW の超広帯域ファイバーレーザーについても研究を行った。

1、ラマンファイバーレーザー
現在、光通信技術の進歩によってファイバーを加工した光デバイスが発達し、ファイバー中に紫外レーザーを使って干渉縞を書き込むことにより特定の波長のみを反射させる波長選択ミラー
FBG2,3 やファイバー中に希土イオンを添加し、さらにより光を効率良くファイバー中に入力するために屈折率の違う２つのクラッドを用いた DCFL（ダブルクラッドファイバーレーザー）3 などがある。
通常、RFAでは図１のようにファイバー中に含まれているSiO2 や GeO2 のもつラマン利得を使って、信号光とは反対方向から励起光 (例えば石英ファイバー中でもっとも損失の少ない波長 1.55um を信号光と考えると、励起光は波長 1.484um にあたる。) をファイバー中に入れることによって、信号光を広帯域に増幅するシステムである。しかし、1.55um では他にも増幅器として EDFA(Er-添加ファイバー増幅器)があり、むしろ 1.55um では EDFA の方が主流になっている。しかし EDFA は 1.55um
付近でしか増Distributed Raman
幅することがでTransmission fiber
amplification
Signals
きず、WDM のAmplified Signals(1.3um/1.5um)
増幅器としては
Coupler
広帯域に増幅ができ、しかもラPump
マンはシフトに(1239nm/1484nm)
よって発振波長がかわるので励起波長を変える
図１、ラマンファイバー増幅システム
ことによって波長を変えることができる RFA が必要になるのである。
我々はこの RFA 用の光源として用いるために PDF4 を用いた。P2O5 は SiO2 や GeO2 とは異なり、図２のようにピークが非常に鋭く 1330 cm-1 と広いラマンシフトを持ち、波長1064 nmを用いて励起をすると波長 1239 nm に 1 次ストークス光、波長 1484 nm に 2 次ストークス光が現れる。そこでストークRaman Gain (normalized)

ス光にあたる波長帯に 2 つの FBG（Fiber-BraggGratings ） を 用 い て 共 振 器 を 構 成 し 、 波 長
Frequency Shift (THz)1064nm で最大出力 8.4 W の CW の Yb を添加し
05 10 15 20 25 30 35 40 45
1.0
た DCFL を用いて励起することによってレーザー0.8発振を行った。これは、発振過程をすべてファイ0.6
バー中で行うことができるので非常にロスが少なく、
1.3 THz
0.4
どこでもすぐに発振することができ、また、DCFLを0.2用いて励起することによって非常に光強度の高いレーザーを発振する事ができるなどの利点があ
0.00250500750 1000 1250 1500る。
-1
Frequency Shift (cm )一次ストークスファイバーレーザーに関しては
すでに我々の研究室でスロープ効率 76.9%で最
図 2、Ｐ添加ファイバーのラマン利得
大出力 4.11W が得られ、パワー変換効率が 47.4%に達していた。そこで次に我々は 1239nm にはほぼ 100%の共振器を組み光を強制的に閉じこめ、中心波長 1483.4 nm の FBG を用いた共振器を用いることによって二次ストークス光におけるラマンファイバーレーザーを発振させた。
また出力側の FBG の反射率(R=50%/15%)や、PDF の長さ(300m/700m/1150m)を変えることによってもっとも二次ストークスが高出力に発振する値を実験から求め、このときの出力端の FBG の反射率は 15%で PDF の長さは 700m の時であった。その時の実験図を図３に示す。このときスロープ効率36.3%、最大出力 2.8 W、パワー変換効率 41% が得られた。これは単位面積あたりに直すと約100GW/cm2 にもなり非常に高い光強度を持っていることがわかる。

Yb-dopedDCFL(1064 nm;
CW 8.4 W)

P-doped fiber(700m)

FBG1
R>99%
1484nm

FBG2
R>99%1239nm

P 1484
FBG3
R>99%1239 nm

FBG4
R=15%1484nm

図 ３、二次ストークスラマンファイバーレーザー装置図2,

超広帯域ファイバーレーザー
つぎに図４のように、この 2 次のストークス光におけるラマンファイバーレーザーに長さ 350m のSMF を融着SupercontinuumCavityすることにより、2 次のストPDF(700m)
Single- mode fiber(350m)
ークス光SpectralYb -doped（1484 nm）
continuum
DCFL
で約 120(1064 nm;
FBG1
FBG2
FBG3
FBG4
CW 8.4W)nm(≧0dB )R=100% R=100%
R=100% R=15%
1484 nm 1239 nm
1239 nm 1484 nmにも及ぶ帯域を持つ
S2 Raman Cavity
CW の超広図 ４、超広帯域ラマンファイバーレーザー装置図
帯域ファイバーレーザー

Power (dBm)を発振させた。出力は 2.78 W であった。SMF には Corning 社の Flexcor1060 を用いた。この SC(白色光)スペクトルは広帯域な RFA 用の光源として 5 やファイバー中での損失分散測定の光源としても利用できると考えられる。
このＳＣスペクトルの現象について調べるために、超広帯域ファイバーレーザーの SMF 部を液体窒素に入れることによって７7K にまで冷却したときのスペクトルの変化を調べた。すると図６のように FBG の中心波長である 1484 nmよりも低波長域のみでスペクトルの-5温度依存性が観測された。また、同様に PDF 部も液体-15窒素に入れ冷却し、SC のスペクトルの変化を調べたが-25ほとんど変化はみられなかった。 このことから長波長-35側と短波長側ではそれぞれ別の現象が起きていて、-45-55-651000

1100

1200 1300 1400
Wavelength (nm)

1500

30

図 ５、 超広帯域ファイバーレーザー

短波長側のスペクトルの変化は SMF 部で起こっていると考えられる。
短波長側のシフトの理由としては以下のようなことが考えられる。
通常、ファイバー中での非線形光学効果は非線形シュレーディンガー方程式から以下のように与えられる。

20Power (dBm)のスペクトル

70 K
300 K

100-101410

1445

1480

15151550

Wavelength (nm)

図 6、ＳＣスペクトルの温度依存性∂A αi∂ 2A2+ A + β2 2 = iγ A A∂z 22∂T
このとき、A は複素電界振幅、αはファイバーの損失で、 T = t − β1 z であり 1 / β1 , β2 はそれぞれω０での群速度と群速度分散を表す。
このとき自己位相変調や四光波混合のような３次の非線形は右辺の項から与えられ、γに依存している。またγは n 2 に比例し、この n 2 には温度依存性があり低波長側のスペクトル変化として以下のような理由が考えられる。
(ⅰ)自己位相変調
CW 光での自己位相変調はあまり観測されてない。というのは自己位相変調の周波数シフトは時間をＴとするとδω(T ) = −∂φNLで与えられ、φNL は光強度 I に比例するのでこの式から光強度 I の時間変∂T化がなければ起こらないことがわかる。
(ⅱ)変調不安定性
ほんのわずかな振幅の変化があるとその変化によって生ずる自己位相変調によって、負の群速度分散を介してその振幅変化はさらに増長される現象を MI(変調不安定性)という。
周波数領域では FWM とほとんど同じ変化であるが、CW で起こることが出来るという特徴がある。
(ⅲ)部分的コヒーレンス

ファイバーレーザーのスペクトルは光スペクトルアナライザーを用いて FWHM(半値全幅)を調べると、約 1nmあり、コヒーレンス長は数mm 程度しかないと考えられる。このようにコヒーレンス長が短いために、位相関係がでたらめになり、時間的な変動が生じて自己位相変調が生じる。
以上の３つの非線形効果は出力光に時間的な変化が見られなければならない。しかし、今のところ高速オシロスコープを用いて 50psの範囲までの時間波形を調べたが振幅の時間変化は見ることができなかった。
他には下のようなものも考えられる。
(ⅵ)四光波混合
通常、四光波混合が起こるには位相整合条件を満たさなければならないが、(ⅴ)のようなラマン効果が重なって起こっているのかもしれない。
(ⅴ)ラマン効果
非常に光強度が高いために GeO2 のラマンのストークス光とアンチストークス光がでた可能性がある。
しかし、アンチストークス光は主に吸収なのでラマン効果だけでアンチストークス光が出たとは考えにくい。
しかし、これは長波長側のスペクトル変化を説明するには一番適していると考えられる。というのはストークス光のラマンシフトは温度に依存しないからである。また短波長側の温度変化に対してはラマン効
果がラマン温度計として使われているようにストークス光とアンチストークス光の強度比が温度に依存し、そのスペクトル変化とも考えられるからである。この場合短波長側は、波長シフトではなく強度変化だと考えられる。これについて調べるにはちゃんとラマン利得を調べる必要がある。などが可能性として考えられるだろう。これらについて調べるためには、まず時間波形を調べ、またラマン利得についてもう少し厳密に出す必要があると考えられる。

参考文献
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