2018 Fiscal Year Research-status Report
２モードファイバに動的励起する周期摂動を用いた全ファイバレーザの高機能化
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17K05074
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
坂田 肇 静岡大学, 工学部, 教授 (40377718)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ファイバレーザ / 波長可変レーザ / Ｑスイッチレーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）ファイバレーザの発振波長制御
全ファイバ波長可変レーザを実現するため、ファイバ内で透過波長を選択できる波長可変バンドパスフィルタ（BPF）の研究を行っている。
本研究の計画段階から取り組んでいる方式では、周期可変長周期ファイバグレーティング（LPFG）を用いて広帯域モード変換と狭帯域モード変換を連続して行うことでBPF応答を得ている。挿入損失の要因の一つである勾配屈折率型数モードファイバ（GI-FMF）におけるマイクロベンド放射損失について、LP11モードのファイバ曲げに対する損失の低いGI-FMFを採用することで大幅な改善が得られた。
本年度研究着手したファイバBPFの動作原理は、ファイバ内のマルチモード干渉（MMI）効果に基づくものである。マルチモードファイバ（MMF）ならびにMMF両端に融着させるシングルモードファイバ（SMF）の構造を設計し、1.55μm帯および1.9μm帯においてBPF応答を確認した。さらに、新たな構造としてMMF領域に液体コア層を挿入することでBPFの透過ピーク波長をシフトできた。本方式のBPFを、Tm/Ho共添加ファイバレーザ（THFL）共振器に挿入することで発振波長の可変制御に成功した。
（２）動的応力付加によるファイバ内Qスイッチング
本研究ではピエゾアクチュエータ（PA）を用いて、ファイバに動的なマイクロベンドを形成することで、ファイバリング共振器内のQ値制御を行っている。PAの高速化に伴う低ストロークを補うためにファイバに予め与える負荷を最適化し、Qスイッチレーザ発振特性を向上させた。本年度はTm添加ファイバレーザ（TDFL）に加えて、THFLに本方式を応用し、TDFLを上回るパルスピーク出力を得た。さらに、動的マイクロベンドを形成するSMF領域を偏平化することで、形成の応答性を改善し10%程度のレーザパルス高出力化を実現した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
（１）ファイバ内波長可変BPFの研究と波長可変ファイバレーザへの適用
GI型と階段屈折率（SI）型の異なるFMFを融着し、それぞれに周期可変LPFGを形成して成る波長可変BPFの研究を行っている。本方式では、GI-FMFのマイクロベンド放射損失が挿入損失の要因であったが、GI-FMFの保持LPモード数を従来の2モードから4モードに変更することでLP01-LP11モード変換時の放射損失が大幅に低減されることを見出した。
さらに、本年度は波長可変BPFとして新たな方式の研究に着手した。動作原理はファイバ内のMMI効果を利用するものである。入力側SMFのモード界分布がMMF領域を伝搬後、出力側SMFに再合成されることで、特定の波長において高い透過率が得られる。本研究では、この透過ピーク波長を制御可能とするため、MMFの一部を液体コアとし実効的MMF長を変えた。まず、1.55μm帯でBPFとしての波長可変動作の確認を行った。続いて、THFLのリング共振器内に挿入し、1.9μmを中心として現在およそ60nm程度の発振波長チューニングが可能なことを実証した。本方式は構成がシンプルで波長可変動作もスムーズに行える特徴がある。現在、波長可変範囲の拡大に向けて研究を進めている。
（２）動的応力付加によるファイバ内Qスイッチング
本年度、Qスイッチファイバレーザとして、THFLを導入した。狙いは波長可変範囲の拡大にあるが、PAによる動的マイクロベンドのQスイッチ動作においてTDFLを上回るピーク出力と狭パルス幅（～660ns）が得られた。さらに、PAにより応力を加えるSMF部分を加熱加圧することで被覆を偏平化させた。ファイバの偏平構造により、Qスイッチとしての応答性が向上しパルスピーク出力をTDFLおよびTHFLともに10%前後向上させることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ファイバレーザの発振波長制御については、測定装置の充実している波長1.55μm帯で新しい波長可変BPFの動作確認を行い、並行して波長1.9～2μm帯でTDFLないしTHFLに組み込むことで発振波長の動作範囲および出力評価を行っていく。MMI構造の可変化は現在MMFの一部を液体コア層として実現しているが、加えて他の方法による透過ピーク波長の制御も計画している。新規方法を比較し、最も波長可変BPFとして優れる方式を見出してファイバレーザの波長可変動作を確立する方針である。
全ファイバ共振器構成のQスイッチングについては、波形プレートを使った動的マイクロベンドによる現方式の改良に加えて、波長可変BPFで動作確認したMMI構造を利用した新たなファイバ内Q値制御方式の検討を進める。マイクロベンド方式と比較し、より大きなダイナミックレンジが得られるようであれば、ファイバレーザとしてさらなるパルス出力の向上が期待される。
さらに、同一ファイバ素子で波長可変機能とQスイッチ機能を併せ持たせることができないか検討を始める。そのため、ファイバリング共振器内の伝搬光の波長選択を行うと同時にその透過率の制御を高速に行える動作原理を開拓したい考えである。
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| Causes of Carryover |
平成３０年度予算については計画通りの使用額であったが、前年度の未使用額がそのまま残った形となった。今年度請求額は、前２年度分と比べて少額であるにもかかわらず、今後の研究推進策にも記載したように、波長可変ファイバレーザおよびＱスイッチファイバレーザとして新たな方式にも取り組む。そのため、次年度使用額と今年度請求額は、光学やレーザ工学に関する代表的な国際会議での研究成果発表の費用に使用するほか、消耗品費として、希土類添加ファイバや各種の特殊光ファイバ素線、キャピラリやフェルールなど精密光学部品、ピエゾ駆動系の整備、高精度光学ステージなどの試作、励起用レーザダイオード、その他光学部品、電気部品などへの使用を予定している。
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