非線形偏波回転を用いたソリトンモード同期 Tm ファイバーレーザーの開発
戸倉川研究室 相楽啓

1. 序論
波長 2 μm 帯で動作するレーザーは、LIDAR、る。このため高出力な~800 nm の LD による直接励起が可能といった利点を有している。
Tm イオンのエネルギー順位を図 1 に示す。

空間通信、ガス検知、医療や加工など様々な図１のように隣接する Tm イオンとのエネル分野への応用が可能であり、大きな注目を集ギー交換を行うクロス緩和と呼ばれる緩和過めている。上記の応用において高平均出力、程により、1 つの電子の励起で、2 つの光子が高パルスエネルギー、高コヒーレントな超短得られるような量子効率が 2 の動作が可能でパルス動作することは重要な要素である。まある。また、Tm シリカガラスファイバーにおた、この波長帯では、シングルモード動作時ける 3F4~3H6 のエネルギー準位間の放出断面において、現在主要となっている 1~1.5 μm 帯積及び吸収断面積を図 2 に示す。放出断面積のレーザーに比べてファイバーコア断面積のが 1600~2100 nm の幅広い放出断面積を有し拡大が容易であるため、非線形効果の抑制がているため、フェムト秒オーダーの超短パル可能であり、さらなる高出力化が期待されてスの生成が可能となっている。

いる。さらに一般的にこの波長域の光はシリカガラスファイバーに対して異常分散領域を示すため、非線形効果である自己位相変調との釣り合いによりソリトンパルスの形成が可能である。そこで、私は非線形偏波回転を用いたリング型共振器構成により波長 2 μm 帯で動作するソリトンモード同期 Tm ファイバーレーザーの開発を行った。

図 １

Tm3+のエネルギー準位[1]2. 原理
2.1 Tm 添加シリカガラスファイバー
希土類元素であるツリウム(以下 Tm と表記)をファイバーのコアに添加したものが Tm添加ファイバーである。Tm は波長 793 nm の光で励起を行うことで、波長 1.9～2.1 μm の光を放出するための利得媒質として優れてい

図 ２

Tm シリカガラスファイバーの放出断面積及び吸収断面積[2]2.2 非線形偏波回転
光パルスが光ファイバー中を伝搬すると、非線形光学効果である自己位相変調と相互位相変調によって、パルスに軸方向で異なる位相変化が生じ、偏光状態が変化する。これは非線形偏波回転と呼ばれ、これを利用し、偏光状態を制御することでモード同期を得ることができる。偏光制御素子としては波長板であるλ/4 板、λ/2 板及び偏光依存型ビームスプリッタ(PBS)を組み合わせることでモード同期が可能である。図 3 に非線形偏波回転モード同期ファイバーレーザーの例を示す。フ
ァイバー伝搬後では、光強度の高いパルス成分と CW 状態である光強度の低いパルスの裾部分では偏光状態が異なっている。そこで、パルス成分は PBS を透過させ、CW 成分にはPBS で反射させることで、CW 成分にパルス成分よりも大きな損失を与えるような波長板の組み合わせをすることでパルス発振を抑制し、選択的にパルス発振を得ることができる。

ドファイバーでコア径 10 μm、クラッド径100 μm、添加濃度 2Wt.%、NA:0.14、長さ 2m である。発振波長 793 nm のレーザーダイオード(以下 LD 表記)を用い励起コンバイナーに通してこの Tm 添加ファイバーを後方励起した。非線形偏波回転を得るためにシングルモードファイバー(以下 SMF と表記)をコンバイナーの後に 11.5 m 融着した。使用した
SMF は CORNING 社の SMF28 でコア径 8.2μm、クラッド径 125 μm、NA が 0.14 である。
また、それぞれのファイバーの端面には APCファイバーを融着することでフィードバックを防ぎ、寄生発振を抑制している。SMF28 ファイバーからの出射光は焦点距離 f =4.6 mmのレンズによりコリメートさせ、λ/2 板、λ/4板、アイソレータ、λ/2 板を透過し、金属ミラーで反射させ、f =4.6 mm のレンズで集光しファイバーに再結合させている。また、アイソレータにより光は図１中時計回りの一方向性を持たせ、出力はアイソレータの入口側にある偏光ビームスプリッターから取り出した。
モード同期発振が得られるように各種波長板及び励起パワーをそれぞれ調整した。

図 3 非線形偏波回転を用いたモード同期
ファイバーレーザー共振器の例

3実験

図 4 非線形偏波回転を用いたソリトンモー
ド同期 Tm ファイバーレーザー

3.1

実験方法

本研究では非線形偏波回転を用いてリング型共振器を構成した。実験系を図 4 に示す。
使用した Tm 添加ファイバーはダブルクラッ

3.2

実験結果った。また、モード同期時における出力特性の一例を図 7 に示す。スロープ効率は 5.9%で同期を得ることができた。この時の平均出力あり、波長板を調整することなく、励起パワは 1.2 mW である。さらに、励起パワーを上ーを上げていくと平均出力が 29.5~98.3 mWげ、波長板の調整を行ったところ、励起パワまでモード同期状態を保つことができた。励ー3.1 W 時において、平均出力 101.1 mW、起パワーを上げていく際に、モード同期が崩

中心波長 19886 nm、パルスエネルギー8.0 nJれてしまうこともあったが、励起パワーを上のパルスを得ることができた。この時のパルげ下げすることで再びモード同期を得ること

ス列を図 5、6 に示す。

ができた。
Output power [mW]

励起パワーが 1.54 W 時において、モード

図 5 パルス列(2 μs/div)

1009080 Slope efficiency: 5.9%706050403020
1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8
pump power [W]33.2

図 7 出力特性(モード同期時)
スペクトルを図 8 に示す。中心波長は1986.5 nm であり、中心波長の両側に細かな構造が乗った非常に大きなサイドバンドが確認された。しかし、これはソリトンモード同期においてよく報告されているケリーサイド
図 6 パルス列(50 ns/div)バンドと呼ばれるものとは、幾つか異なる点があり、それとは違うものではないかと考えこのように非常に綺麗なパルス列を得ることている。次に自己相関計を用いてパルス幅のができた。また、この安定なモード同期状態測定を行った。測定した自己相関波形を図 9は 3 時間ほど経過しても、崩れることはなかに示す。平均出力 101.1 mW 時おいて、sech2

図 8 スペクトル(101.1 mW 時)

-50-6055 dB-70-70-800.40.2-6-4-202delay time [ps]4

図 9 自己相関波形(101.1 mW 時)-80-90-90-10095-1006RBW = 3 kHz-50-60522 x 1.54 fs

0.6-40intensity [dB]0.80-30RBW = 3 kHz-40intensity [dB]normalized SHG intensity-301100105110
frequency [MHz]図 1011540 60 80 100 120 140 160
frequency [MHz]RF スペクトル(101.1 mW 時、左図：span25 MHz、右図：span150 MHz)型のパルスを仮定すると 522 fs のパルス幅を得ることができた。また、パルスの中心部の4

結論と今後の展望両側にマルチパルスのような構造が確認でき

本研究では、非線形偏波回転を用いたソリた。そこで、スペクトルとの相関を考えると、

トンモード同期 Tm ファイバーレーザーの開サイドバンドの構造が中心部から役 4 nm 離発を行った。現在得られている最大平均出力れたところに確認できる。そこでその中心波は 101.1 mW(3.1 W 励起時)、繰り返し周波数長からの距離を∆λとすると、それに対応したは 12.6 MHz、シングルパルスを仮定すると周波数幅∆νは、次式で表すことができる。

8.0 nJ のパルスを得ることができている。モ∆λ∆λν= 2𝑐𝜆λード同期において得られているスペクトル上∆ν =(1)には細かな構造が乗った非常に大きなサイドこれから、周波数∆νは3 × 1011 Hz と算出され、バンド構造が確認されている。そこで、今後この逆数を求めることで、自己相関波形におはこの構造の分析を含め、共振器内に正常分ける中心からの時間∆𝑡が表される。計算を行散ファイバーを組み込んだ実験を行う予定でうと、∆𝑡 = 3 psという値が得られた。このこある。また、更なる高出力化及び短パルスをとからスペクトル上のサイドバンド構造が時目指す。

間軸上での構造と一致していると理解できる。
つまり、サイドバンドの構造が、自己相関波形に現れているマルチパルスに寄与しているのではないかと推測される。次に RF スペク
トルの測定を行った。測定結果を図 10 に示す。S/N 比が 55 dB の繰り返し周波数に対応したパルスのみが確認できた。

5

参考文献

[1] 住村和彦、西浦匡則 著、“解説ファイバーレーザー-基礎編-”オプトロニクス社[2] Søren Dyøe Agger and Jørn Hedegaard
Povlsen, Optics Express 14, No.1, 2006,

50-57[3] Hui Liu, Zhanwei Liu, Erin S. Lamb, andFrank Wise, “Self-similar erbium-doped
fiber laser with large normal dispersion”,
Opt Letter, 36(19), 1019-1021, (2014)[4] Yuxing Tang, Andy Chong, and Frank W.
Wise, “Generation of 8 nJ pulses from anormal-dispersion thulium fiber laser”, OptLetter, 40(10), 2361-2364