Fiber laser

一般的にCWまたはパルスファイバーレーザーの開発に使用されるコンポーネントの選択と様々なアーキテクチャについて以下説明します。

Fiber laserの原理

ファイバーレーザーは、増幅媒体に光ファイバーを用いた、レーザーです。アクティブ・モジュール（電子機器における電子機器における能動電子部品のようなもの）である。

希土類イオンの光増幅の特性を利用します。

励起媒体は、一般的にファイバー結合レーザーダイオードである。2種類のアーキテクチャがある。

利用できる：

①   レーザー共振器構成：光はファイバーを通って両方向に進む。

増幅媒体

②   MOPA構成：（マスター・オシレーター・パワー・アンプリファイアー）。

発振媒体が小さな「シーダー」信号を生成し、それがファイバー増幅媒体を介して増幅される。

Ⅰ.   Fiber laserの主要コンポーネント

ここでは、①と②に示した様々な要素について説明する。またサプライヤーのカテゴリーと選択肢の例を挙げています。

a) ファイバー増幅媒体

他のレーザーと同様に、ファイバーレーザーは誘導放出の原理を使用します。

ほとんどのファイバー・レーザーは、ファイバーで結合されたコンポーネントを組み合わせて作られています。

様々なコンポーネントに関連するファイバーは「パッシブファイバー」と呼ばれます。パッシブファイバーには

増幅特性はない。増幅媒体の中心にあるファイバーは「アクティブ・ファイバー」と呼ばれる。

アクティブ・ファイバーは希土類元素（エルビウム、イッテルビウム、ツリウムなど）がドープされており、以下のような働きをします。

レーザーダイオードの励起パワーをレーザーパワーに変換することにより、誘導放出を行います。

イッテルビウム（Yb3+）またはエルビウム（Er3+）に必要な励起波長は、通常915nmまたは976nmです。

であるのに対し、Er3+の発光波長は約1.5µm、Yb3+は1030～1100nmである。

図3：アクティブ・ファイバーのエネルギー準位とそれに伴う吸収・放出スペクトル（Yb3+の右）。

吸収と発光の複合効果により、Yb3+の好ましい発光領域が形成される。

吸収と発光の複合効果により、イオンのポピュレーション反転比に応じて1030～1100nmの間にYb3+に有利な発光領域が生じる（反転比が高いほど、発光効果は高くなり、Yb3+は発光しやすくなる）、

反転率が高いほど、発光効果が高くなり、吸収効果が低くなる）。

一般的に2種類のアクティブ・ファイバーが利用されている：

- シングルクラッド/シングルモードファイバーは、希望のレーザーダイオードのポンピングパワーがシングルモードファイバー結合レーザーダイオードと互換性がある場合

シングルモードファイバー結合レーザーダイオードと互換性がある場合（通常1W未満）

- レーザーダイオードの励起出力が通常1Wより高い場合、ダブルクラッドファイバ

図4：シングルまたはダブルクラッドのアクティブファイバーに励起されるシングルモードまたはマルチモードのレーザーダイオードの原理

アクティブ・ファイバーのメーカーとしては、以下の4社が高い評価を得ている：

- iX-Blue： フランスのサプライヤー - www.photonics.ixblue.com

- Nufern： 米国（CT）サプライヤー - www.nufern.com

- コラクティブ カナダのサプライヤー - www.coractive.com/

- NKT: デンマークのサプライヤー - www.nktphotonics.com [非常に特殊なPCF用 - Photonics Crystalファイバー］

b) ポンプレーザダイオード

ファイバーレーザーに使用されるポンプレーザーダイオードは、一般的にAlGaAsをベースとしたファイバー結合デバイスです。

III-V半導体技術に基づくファイバー結合素子で、800～1000nmの波長帯で発光します。

吸収スペクトル図3参照）。

これらは2つの主要なファミリーに分けることができる：

1-シングルモードファイバー結合レーザーダイオード。

このタイプのレーザーダイオードは、一般に、6µmファイバーレーザーコアに集光される。このタイプのレーザーダイオードは一般に、TECクーラーを備えたバタフライパッケージで組み立てられる。

このタイプのレーザーダイオードは一般的に、TECクーラーがパッケージに組み込まれたバタフライ・パッケージで組み立てられる。

小型化が進んでいる）。これらのファイバー結合型レーザーダイオードは、一般的に300mWから1.5Wの出力が可能です。

から1．シングル・クラッド・アクティブ・ファイバーの励起に使用される（図4参照）。

915/976nmシングルモードポンプレーザーダイオードの主なサプライヤーは、1990年代末に事業を展開した企業である。

915/976nmシングルモードポンプレーザーダイオードの主なサプライヤーは、90年代末に電気通信市場で使用されるファイバーアンプ（EDFA：

エルビウムドープファイバーアンプ）。EDFAは生産量が多いため、高い信頼性と低コストの両方を実現している。

を提供している。

図5: AeroDIODE製976nmシングルモードファイバー結合レーザーダイオードの例

ファイバーレーザーに使用されるマルチモードファイバー結合レーザーダイオードは、一般的に広エリア側発光レーザーダイオードチップをベースにしています。これらはまた、2つのカテゴリーに分けることができます：

シングルエミッターレーザーダイオードでは、最大20Wのレーザーダイオードチップが、通常105（コア）/125µm（クラッド）レーザーダイオードに結合されます。

マルチエミッターレーザーダイオードは、複数のレーザーダイオードチップを同じようなファイバーに結合したもので、出力レベルは数百ワットまで拡張可能です。

図6：ファイバーレーザーに使用されるマルチモードファイバー結合レーザーダイオードポンプの例（左：Yb3+の狭い吸収スペクトルに適合するように体積ブラッググレーティングで安定化させた30 W @ 976 nm；右：10 W @ 915 nm）

図3で観察されるように、Yb3+のような希土類イオンの976 nmでの吸収スペクトルは狭く、安定化したレーザーダイオードの吸収スペクトルが必要であることに注意してください。この波長安定性には、レーザーダイオードの温度制御が必要であり、多くの場合、レーザーダイオードには波長安定化素子が追加されている。この素子は一般的に、シングルモードレーザーダイオードの場合はFBG（ファイバーブラッググレーティング）（レーザーダイオードからおよそ1メートルに位置するファイバーの特殊な部分）、マルチモードレーザーダイオードの場合はVBG（ボリュームブラッググレーティング）です。VBGは基本的に、レーザーダイオードのパッケージに組み込まれた特殊なガラス片である。

これらのダイオードの価格は通常、シングルモード・レーザーダイオードで1500ドル、マルチモード・シングルエミッターで500ドル、マルチエミッター・レーザーダイオードで2000ドルの範囲である。

レーザーダイオードを駆動し、ファイバーレーザー特有の制約や要件をすべて考慮することは、特殊な製品を必要とする難しい作業です。ここでは、ファイバーレーザーダイオード駆動用に特別に設計され、R&Dと完全なファイバーレーザー製品の統合の両方に対応する2つのレーザーダイオードドライバーを以下紹介します：

ＹＨＴＣ Co.,Ltd(link : 高出力レーザダイオードドライバ) のＡＴＤ (Auto Thermo ｍodular Drive) は、高出力TECコントローラと空冷セットアップを含め、1つまたは複数のマルチモードポンプレーザダイオード (単一素子または複数素子のデバイス) の駆動用に仕様を完全に最適化する事が可能です。

ＹＨＴＣ Co.,Ltd(レーザーダイオードドライバー:KLDシリーズ多ｃｈ

Optical seeder

MOPAアーキテクチャーのファイバー・レーザーには、様々な増幅段を通して増幅される最初の光学特性を決定するシーダー部がある（図2）

光シーダー部は、ファイバーレーザーアーキテクチャーの大きな違いが生じる部分である。 多くのシーダー・アーキテクチャーがあります。CW またはパルスモードで駆動されるレーザー・ダイオード、外部高速変調デバイスに給電するレーザー・ダイオード（チュートリアル参照：光ファイバー変調器）、特殊な Q スイッチ共振器、モードロック共振器、マイクロチップのような水晶ベースの発振器、その他多くのアプローチがあります。これらの様々なシーダーに依存するアーキテクチャについては、§III（9ページ）で詳しく説明します。この段落では、直接レーザーダイオードの部分のみを説明する。

MOPAアーキテクチャーのファイバー・レーザーには、様々な増幅段を通して増幅される最初の光学特性を決定するシーダー部がある（図2）

光シーダー部は、ファイバーレーザーアーキテクチャーの大きな違いが生じる部分である。 多くのシーダー・アーキテクチャーがあります。CW またはパルスモードで駆動されるレーザー・ダイオード、外部高速変調デバイスに給電するレーザー・ダイオード（チュートリアル参照：光ファイバー変調器）、特殊な Q スイッチ共振器、モードロック共振器、マイクロチップのような水晶ベースの発振器、その他多くのアプローチがあります。これらの様々なシーダーに依存するアーキテクチャについては、§III（9ページ）で詳しく説明します。この段落では、直接レーザーダイオードの部分のみを説明する。

図 3 で説明したように、増幅器の利得媒体に適合する波長のみが、レーザーダイオードのシーダーとして関連します。下の表は、一般的にアクティブ・ファイバー媒体に埋め込まれるドーパントによって増幅される様々な波長範囲を示しています：

表1：ファイバーレーザー増幅範囲は、アクティブファイバーの希土類ドーパントに依存する

以下に、一般的なレーザーダイオードシーダーの種類を紹介する（詳細については、ファイバー結合レーザーダイオードの詳細チュートリアルを参照）：

標準的な」レーザーダイオードシーダーは、一般的な部分反射型半導体共振器であり、14ピンのバタフライパッケージに集積されている。波長発光スペクトルは、追加のブラッググレーティングに大きく依存する。発光帯域幅は、ブラッググレーティングなしでは通常3～5nmであるのに対し、ブラッググレーティングを使用するとはるかに狭くなります（～<0.1nm）。波長スペクトルの温度チューニング係数は、ブラッグ無しでは通常0.35nm/℃であるのに対し、ブラッググレーティングを使用するとはるかに小さくなる。

DFBまたはDBRレーザーダイオードシーダーデバイスは、シーダーデバイスのレーザーダイオードチップ部にブラッググレーティング波長安定化部が直接組み込まれています。これにより、DFBでは通常2MHz（～10-5nm）の狭い発振波長を実現し、波長を即座にロックすることができます。

図8：AeroDIODE社のDFBレーザーダイオードシーダーの例@1064 nm（左）と1550 nm（右）。

パルス領域で使用する場合、これらのレーザーダイオードは非常に高い利得レベルまで増幅することができる。

Diode / fiber combiner

ファイバー結合レーザーダイオードからの光をアクティブファイバーに結合するのは複雑なプロセスです。これは、入力シーダー光源とポンプ光の両方を入射させる必要があるMOPA構成（図2）の場合に特に当てはまります。

このカップリングプロセスで使用されるコンポーネントは、シングルモードファイバ結合のレーザーダイオードの場合と、マルチモードファイバ結合のレーザーダイオードの場合とでは異なります。

シングルモードレーザーダイオードの励起には、一般的に2種類のコンポーネントが使用されます：

TAPカプラ/WDM： これらは、2本のファイバーを融着・回転させる原理に基づいており、目標とする性能に達する瞬間まで、両方のファイバーのモードを結合させることができる。ここでの1つの大きな限界は、2つの異なる波長から良好な結合性能を得るために必要な最小波長分離に由来する。一般的には数百ナノメートルの差が必要である。

薄膜WDM（波長分割マルチプレクサ）： タップカプラが機能しない場合に採用するソリューションです。これらのコンポーネントは、薄膜ダイクロイックフィルターの技術に基づいている。このコンポーネントの内部では、光は実際にはファイバーの中にあるわけではありませんが、私たちはこれをファイバー・コンポーネントとみなしています。

図9：ファイバーレーザーで一般的に使用されるタップカプラー（左）と薄膜WDM（右）の例

つまり複数のマルチモードファイバ結合レーザダイオードからの光をシングルモードシーダで結合することは非常に難しい作業です。PCF（フォトニクスクリスタルファイバー）のような特殊なファイバーを使用する場合は、さらに難しくなります。多くの技術では、特殊なガラス管の中で複数のファイバーを融着させる原理を使用しています。

図10：ITFのマルチモードポンプコンバイナーの例（左）と6+1対1コンバイナーの原理図（OFS）（ITFおよびOFSのウェブサイト提供）

アジアの多くのサプライヤーがこのような部品を提供している。評判の高いサプライヤー4社を以下に挙げる。最初の2社はシングルモードコンポーネントに特化しているが、最後の2社はマルチモードコンバイナーで知られている：

DKフォトニクス（中国）

ITFテクノロジーズ（カナダ）

ライトコム（中国）

Alphanov (フランス) 複雑なハイパワーPCFファイバーに関連した特殊部品もある。

Reflective media / Filtering media

反射媒体 - ブラッググレーティングミラー

ファイバーレーザーで広く使用されている重要なコンポーネントはブラッググレーティングで、光ファイバーのコアの屈折率の周期的または非周期的な摂動です。これは一般に、ゲルマノシリケートファイバーに紫外線を照射して作られます。

ブラッググレーティングは、ファイバーUV照明の製造方法に応じて、任意のタイプの反射/透過スペクトルを可能にします。

図1に示すようなレーザーキャビティでは、ブラッググレーティングは、レーザーキャビティを構築するための全反射ミラーまたは部分反射ミラーとして使用されます。

図 11：ファイバーブラッググレーティングの原理とファイバーブラッググレーティングサプライヤーの

（iXblue 社提供）

フィルター媒体 - ブラッググレーティングフィルター

ファイバーレーザー（特にMOPA構成）は、ASE（Amplified Spontaneous Emission）と呼ばれる望ましくない効果に直面しています。これは、低レベルの光から始まる双方向の増幅効果で、シーダー光の増幅と負に競合します。ASEは、希土類ドーパントの利得スペクトルと相関したスペクトルを持つ。そのため非常にブロードで、強度はファイバー長に沿って非線形に増加します。

一般に、シーダーのスペクトルはASEのスペクトルよりもはるかに狭いため、ファイバーレーザーの長さに沿っていくつかのフィルタリング装置を追加し、ASEのスペクトルに沿った損失がこれらの波長での利得よりも高くなるようにすることが重要です。

図 12: 1064nm での狭いシーダー増幅と広い ASE およびブラッググレーティングフィルタリング効果の間の競合する利得効果の例。(沼田健司ほか、J.Phys.Conf.Ser.228 (2010))

Ｓwitching media

歴史的に、図1（共振器）と図2（MOPA）の2つの代替構成は、それぞれCWファイバーレーザーとパルスファイバーレーザーに関連していました。多くの高出力CWアーキテクチャはMOPA増幅の原理を使用しており、いくつかのパルス構成は後に増幅器を持たない独自の共振器で作られているため、これはもはや事実ではありません。

共振器構成でパルス・ファイバー・レーザーを作るには、時間相関のある損失媒体が必要です。この損失媒体は、可飽和吸収体（§III で説明した Q スイッチやモードロック・アーキテクチャの原理など）か、あるいは能動的な損失同期のためのスイッチング媒体のいずれかです。

スイッチング媒体は、AOM（音響光学変調器）、EOM（電気光学変調器）、またはパルス領域で駆動されるSOA（半導体光変調器）のいずれかになります。これら3つの高速光ファイバー変調技術については、別のチュートリアル「光ファイバー変調器」で比較しています。

図13: ファイバー結合変調媒体の例[AeroDIODEの音響光学変調器(左)、iX-Blueの電気光学変調器(中)、Innolumeの半導体光増幅器(右)] (提供: AeroDIODE、iXBlue、Innolume - ウェブサイト)

Other components

ファイバー・レーザーは一般に、各段階での出力レベルを恒久的に検証するために、いくつかのモニタリング・コンポーネントも含んでいる。ファイバーフォトダイオードがそのようなコンポーネントです。フォトダイオードが時間(速度)や温度などのパラメータによってどのように動作するかを理解することはしばしば必要です。多くのフォトダイオードの技術的パラメータは、それぞれ類似しているため、詳細なリファレンスデータシートがあると便利です。InGaAsフォトダイオードの10ページにわたる詳細なデータシートは、LumentumのEPM 6xxシリーズです。

図14：LumentumのEPMシリーズInGaAsフォトダイオード：今日の市場でおそらく最も詳細なファイバーフォトダイオードデータシート（Lumentum提供）。

通常、パルスMOPAハイパワーファイバーレーザーは、ファイバーレーザーのモニタリングや様々なセキュリティー、内部インターロックに関わる少なくとも5つのフォトダイオードを必要とします：

シーダーの平均パワーを制御するフォトダイオード1個

シーダーの平均パワーを制御するフォトダイオード1個、シーダーのパルスを「監視」し、パルスが欠落したときに高速セキュリティーを開始する高速フォトダイオード1個。

平均パワーを制御する各ステージに1個のフォトダイオード、特にパルスピッキングユニットがレーザーの一部である場合はその両側に1個。

ファイバー・レーザーに戻るパワーを制御する "BRM"（後方反射モニター）1個。

1個または2個の出力フォトダイオード（ファイバー付き、または出力レベルがファイバー付きデバイスを許さない場合はファイバーなし）。

これらのフォトダイオードはすべて、ファイバーレーザーがダメージを受けないようにするために、特別な始動手順とスイッチオフ手順に関与しています。

単段または多段のMOPA構成において、十分に制御する必要がある主な破壊的効果は、シーダーが発光していない間、励起レーザーダイオードがまだオンであるという潜在的な状況に起因する。これは直ちに巨大なパルスを発生させ、ファイバーレーザーに永久的なダメージを与えます。