Yb 添加ダブルクラッドファイバーレーザーの単一偏光発振
2

研究背景・目的ファイバーレーザーの高出力化が進む中、非線形波長変換やコヒーレントビーム結合において単一偏光発振とその狭線幅化は重要な課題である。単一偏光発振、またその狭線幅化によって様々なレーザーへの応用が可能になってくるためである。
本実験の前半部分では PM−Yb−DCF（PANDA 型
Yb 添加ダブルクラッドファイバー）とインライン偏光子を用いて PER（偏波消光比）20ｄB を目標として、1064nm ファイバーレーザーの単一偏光発振を目的に実験を行う。PER は次の式によって計算される。

PPER(dB) = 10 log max-20１

Cross section (10 cm )量子物質工学科

植田研究室

上條核

3.0
2.5

−absorption−emission

2.01.51.00.50.0
800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
Wavelength (nm)図 2.1 Yb の蛍光・吸収スペクトルバーにおいて PANDA（Polarization-maintaining ANDAbsorption-reducing）型偏波保持ファイバーを用いてPminいる。PANDA ファイバーは図 2.2 のようにクラッド

Pmax：偏光子透過最大出力 Pmin：最小出力

部に応力付与部として B2O3 添加ガラスが目玉のよう

また、狭帯域 FBG-HR（Fiber Bragg Grating-Highに配置されている。このとき実効屈折率は目玉の水平Reflection）と FBG−15%の 2 つの FBG 間で共振器を方向で最大、垂直方向で最小となりそれぞれ slow作ることで狭線幅化し、FWHM（半値全幅）0.1nm 以軸・fast 軸と呼ばれ、それぞれで偏光状態が保持され下の狭線幅化を試みた。

たまま伝播される。

後半部分ではインライン偏光子の耐久性によって偏波保持光ファイバーの特性評価を行う際、ファイ制限される高出力化を可能にするために、後に説明すバーの結合長が一つの目安となる。結合長とは直交２る PM-FBG 直交配置による単一偏光化を試みた。

偏光間の位相差が２πとなる長さで、短いほど偏波保２持特性が良い。結合長は原理

2．1 Yb 添加ファイバー

Lb =本実験では Yb を添加した PM−Yb−DCF を使用し2πΔβている。Yb の特徴として、まず準三準位構造であるで表され、これを slow 軸と fast 軸の実効屈折率の差ことがあげられる。このため、励起波長やレーザー波であるモード複屈折率 B を用いると長における励起状態吸収（ESA）や高励起状態に移行

Lb =したフォトンによる光放出（upconversion）が無いたλB

め高密度励起が可能となる。また、濃度消光が少ないとなる。Δβが大きいと結合長が短くなり、偏波保ため高密度添加が可能で、これによりファイバー長を持特性が向上する。よってモード屈折率を大きくする短くすることができる。また、図 2．1 から見られることが重要となる。添加されている B2O3 はクラッドように蛍光・吸収スペクトルが広くなっている。吸収部より大きな熱膨張係数を有し、線引き時の急激な冷スペクトルが広いことにより励起用 LD に対する制約却過程において熱膨張係数差に起因する残留応力をも緩和される。

コアに与え、モード複屈折率を誘起させる。これによ2．2 PANDA ファイバー

り結合長が短くなり、偏波保持特性が向上する。

単一偏光を行う際、高い PER を得るためにファイバ2．3ーの偏波保持特性が重要となる本実験では、全ファイインライン偏光子

本実験で用いたインライン偏光子は信光社との共同研究から得られたもので、TiO２でのウォークオフによって単一偏光化を行っている。PER は６ｄB で、FBG−15%
耐熱テープ

従来のインライン偏光子の耐久性が 300ｍW であるのに対し耐久性 10W となっている。

銅製ホルダー
図 3.2 FBG の温度調整
このときの融着損失、PER は①、②でそれぞれ融着損失①11.9%②8.7%
PER①23.6dB②21.8dBとなった。
3.2 出力特性とスペクトル特性
このとき得られた出力特性およびスペクトル特性はそれぞれ図 3.3、3.4 のようになった。

このインライン偏光子を用いているときの出力限界は次の式によって得られる。

P− ( L) = P+ ( L) = R1Pout
1 − R1

FBG−15%（R1＝0.15）がｚ=0、FBG−HR（R2=1．0）
がｚ=L にあるとして、ｚ（０＜ｚ＜L）にあるインラ
イン偏光子へ負・正の方向それぞれからの入射強度を10-3025

それぞれ P-(L)、P+(L)とする。Pout は出力強度。インラ偏光子が耐えられるのは約 11W の出力までとなる。

3

インライン偏光子での単一偏光発振

3.1

実験装置

Y=-1.07+0.821x15

4102500012Intensity(dB)の数値を式に代入するとこのインラインインライン

620

PER(dB)性なので P-(L)、P+(L)はそれぞれ 5W となる。これら

8Output power(W)イン偏光子の耐久性は 10W で、片道 5W までの耐久-40-500.2W
1.32W
3.65W
6.37W
8.04W

-60-70-80-901063.7

実験装置は図 3.1 のようになっている。まず２つのFBG、FBG１（FBG−HR：λBHRSLOW＝1063.88nm、Δλ＝0.05nm）と FBG２（FBG−15%：λ B15 ％ SLOW ＝24
6810
Launched pump power(W)1063.81063.9
W avelength(nm)図 3.3 出力特性
図 3.4 スペクトル特性
このとき、Bragg 波長のマッチングを行うために温1063.85nm、Δλ＝0.1nm）で共振器を組み、それをイ度調整を行い、約 1０℃で測定している。図 3.2 より、ンライン偏光子で単一偏光化している。FBG１は普通スロープ効率は約 82％、最大入射励起パワー11.12Wの PANDA ファイバーであるのに対し FBG２はダブに対し最大出力パワー8.04W、最大 PER は 22.5ｄB とルクラッドファイバー（PM−GDF）で作られている。

なった。また、図 3.3 より全出力において FWHM が端面においてはフレネル反射を防ぐために一端には約 0.03nm となることがわかった。ただし、最大出力8°の角度がついた PM-FCAPC、他端は 12°に研磨し8.04W 時においては温度調整限界に達したため温度た。

上昇を防ぎきれず、スペクトルが短波長側にずれてし

PM-Yb-DCF
core diameter:5μm
clad diameter :126μm
clad NA: 0.46
concentration:9.5×1019cm-3
clad absorption at 975nm:1.62dB/m
Birefringence:3.4×10-4FBG1①PM-GDFcore diameter:6μm
clad diameter :130μm
clad NA: 0.46
Birefringence:4.4×10-4

Inline PM-Yb-DCF
9mpolarizer

Temperaturecontroller

この結果より PER は全出力においては目標としていた 20ｄB に達しなかったが、十分単一偏光しているといえる値は得られた。また、FWHM も目標としていた 0.1nm より狭線幅となった。

PM−GDF② FBG 2
LDPM-FCAPC

まった。

DM

図 3.1 実験装置
FBG −15%で は励 起光に よる 温度上 昇に よってBragg 波長がシフトしてしまうのを抑えるために温度制御を可能にした。この温度制御は銅製ホルダーにファイバーを図 3.2 のように固定し、ペルチェを下面につけることで行っている。FBG の部分はコーティン
グがないためクラッドが直接ホルダーについてしまうと全反射条件が崩れるのでホルダーにくぼみを作り、そこに水を入れることで温度調整を可能にした。

４PM-FBG 直交配置による単一偏光発振

4.1PM-FBG 直交配置の原理

上記のインライン偏光子での単一偏光発振における最大出力を見ると、インライン偏光子の出力限界
11W に非常に近い 8.04W となっている。ここで、より高出力化を可能にするためにインライン偏光子を用いずに、PANDA ファイバー同士の融着の際に目玉が直交するように融着することで単一偏光化を行う
PM-FBG 直交配置による発振を試みた。
まず、通常の融着においては、図 4.1 のように FBG−HR および FBG−15%からの PANDA ファイバーの目玉同士が合うように融着を行う。それによって二つ1064

の FBG の透過スペクトルにおける X 軸・Y 軸それぞPM−FBG 直交配置において、温度調整によって透れの偏光が両方発振する。説明のため座標軸を図のよ過スペクトルが長波長側にずれているものを用いるうにとる。と上述したが、室温からどの程度温度を調整しなけれそれに対して PM−FBG 直交配置の融着ではインばならないかは以下の式によって得られる。

ライン偏光子を用いた実験装置で使用したものと同∆T =じ FBG−15%が温度を変化させて長波長側に透過スペクトルがずれているものを考える。その状態において通常と同じように融着を行うと（図 4.2 の FBG−ΔT：必要な温度上昇

HR とその上の FBG−15%の融着）、FBG−HR の X 軸

Δλ：二つの FBG の相等する Bragg 波長の差

偏光は FBG−15%の X 軸方向に、Y 軸偏光は Y 軸方

図 4.2 なら FBG−HR の slow 軸と FBG−15%の fast向に入るが波長が違うため共振器を構成せず発振し軸に対応していてない。そこで FBG−15%を 90 度回転させ融着を行う

Δλ＝（λBHRSLOW）−(λB15％FAST)と、Y 軸偏光は波長が違うため発振されないが X 軸＝1063.91−1063.57＝0.37nm

偏光は波長が同じであるため発振される。これによっまた、ｄλB／ｄT は計算より 8.62×10−12 となる。て単一偏光発振させることが出来るという方法であ以上の数値を代入するとΔT＝39℃となる。

る。

この計算値を参考に、温度を上げていったときのｘXｙ

られるスペクトルを実際に測定した。得られたスペク
トルの代表的なものは図 4.4 のようになった。
-55

YX
-60
fastｘ

X

ｙ-70

Yｘ
Wavelength(nm)

FBG−15%

通常の融着

図 4.2slow-65

FBG-HR(//PM-Yb-DCF)

XY

FBG−15%4.2X

Wavelength(nm)PM−FBG 直交配置の融着
1C01

実験装置実験装置は図 4.3 のようになっている。

-50

1063.41063.6

1063.81064①②

T=19.1℃ -48-150

T=41.4 ℃

PM-Yb-DCF
9m

図 4.3

Temperature
controller

T=63.2℃-54

DM

PM-FBG 直交配置の実験装置-250

1063.41063.61063.810641064.2

Wavelength(nm)図 4.4

温度毎の FBG マッチング

図 4.4 は上段に FBG−HR の Bragg 波長、下段の点線

これはインライン偏光子を用いていた図 3.1 と比べがそれぞれの温度での FBG−15%の fast 軸、実線が得てインライン偏光子を除いただけで、FBG１およびられるスペクトルとなっている。図からもわかるよう

FBG２は同じものである。図 4.3 中の②の部分においに 10℃では FBG−HR と FBG−15%の Bragg 波長がて PM−FBG 直交配置の融着を行った。

slow、fast ともに重なっているため両方がスペクトル

このときの融着損失、PER は①、②でそれぞれ融着損失①4.7％
PER①28.2dB4.4に現れている。室温の 19.1℃では FBG−15%の Bragg②4.9%

波長が少し長波長側にずれ、fast 軸偏光しか現れてい②26.6dBない。温度を上げていき 41.4℃では FBG−HR の slowとなった。
温度調整による FBG のマッチング-50-52

FBG 2LDPM-FCAPC-46-100-200

FBG11064.2

T=10℃

軸と FBG−15%の fast 軸の反射帯が少し重なった。これによりスペクトルが現れているが、不安定である。

Intensity(dB)

ｙTransm ission(d B)

YYTransmission(dB)ｙｘ

FBG−15%の Bragg 波長の変化とそれぞれの温度で得FBG−15%
ｙｘTransmission(dB,arb.units)

FBG-HR(//PM-Yb-DCF)

図 4.1∆λ dλ B  dT また温度を上げ計算値と近い値である室温から約きの波長変換効率は 10W クラスのレーザーの場合43℃上昇した T=63.2℃ではちょうど FBG−HR の20％であった。それに対し今回の結果によって利用可

slow 軸と FBG−15%の fast 軸の Bragg 波長のマッチン

能な結晶長は 50ｍｍ以上になり、それに伴い波長変グがとれ、きれいなスペクトルを得ることができ発振換効率も 50％以上と以前と比べて高効率な波長変換も安定であった。

が可能になると期待される。
以上より実験目的であった Yb 添加ダブルクラッド

4.4 出力特性とスペクトル特性
このとき得られた出力特性およびスペクトル特性はそれぞれ図 4.5、図 4.6 のようになった。
206Y=-1.51+0.782x
104PER(dB)
Intensity(dB)

Output power(W)

-30
15-40

イン偏光子を用いる方法と PM−FBC 直交配置の二通りで成功した。

-208ファイバーレーザーの単一偏光発振において、インラ

0.42W
1.99W
4.34W
7.22W

-50-60６

今後の展望

主に PM−FBC 直交配置による単一偏光発振において改善すべき点あげる。
実験の際問題となったのが励起光の導入によりFBG 15%の温度が上昇してしまい Bragg 波長がシフトしてしまうことであった。また、これによってファ-90イバーのクラッド表面に水泡が出来、出力の低下にも0002
468
1012-100
Launched pump power(W)1063.6 1063.7 1063.8 1063.9 1064 1064.1 つながってしまう。これは FBG のクラッド表面のコ
Wavelength(nm)ンタミネーションによるものだと推測される。
図 4.5 出力特性
図 4.6 スペクトル特性
この解決法としては２つあり、一つ目の手段として
図 6.1 のようにエンド励起をせずに図 6.2 のようにサ
このとき温度調整により Bragg 波長のマッチングイド励起を用いて実験装置を組むというものがある。
がとれ安定した場所で測定をしている。図 4.5 よりス
これによって温度上昇自体をなくすことが可能に
ロープ効率は 78％、最大入射励起パワー11.12W に対なる。
して最大出力パワーは 7.22W となった。また、図 4.6FBG−15％より全出力において FWHM が 0.02nm 以下となるこ
励起光とがわかった。これは光スペクトルアナライザーの分
図6.1 エンド励起解能が 0.02nm であることから 0.02nm 以下とした。
52５-70-80

結論

励起光

まず得られた結果をまとめると表 5.1 のようになっ

FBG−15％た。

スロープ効率PER
FWHM82% MAX22.5dB 16dB 以上 約 0.03nm
インライン偏光子
PM-FBG直交配置 78% MAX18.2dB 15dB 以上 0.02nm以下

励起光

図6.2

サイド励起

解決策の二つ目として、FBG のクラッド表面をリコートすることがあげられる。こうすることで FBG

まず PER について。目標としていた 20ｄB まではのクラッド表面へのコンタミネーションを避けるこ達しなかったが、インライン偏光子・PM−FBG 直交とができ、温度調整も直接行うことができるようにな配置どちらにおいても 16ｄB 以上、15ｄB 以上と単一る。

偏光しているというには十分の値を得た。

これらの問題を解決することで PM−FBG 直交配

FWHM に関しては目標としていた 0.1nm より狭い置のスロープ効率および出力はよりよくなることが線幅を得ることができた。本研究室における今までの予想される。本実験においてはインライン偏光子を用単一偏光ファイバーレーザーの研究で得られたいた場合よりも出力は低くなっているが、原因としてFWHM(半値全幅)は約 0.2nm であった。非線形波長変は主にファイバーのクラッド表面の状態による励起換の結晶として擬似位相整合 MgO:LiNbO3（酸化マグパワーの低下が考えられる。今後はいかにより安定しネシウム・ドープ・ニオブ酸リチウム）を用いた場合た状態の中で測定を行えるかが重要な課題となってを考える。スペクトル許容度の制約のため FWHM がくる。

0.2nm のときに利用可能な結晶長は 10mm で、このと