1.6 µm 帯ラマン増幅器の開発
量子・物質工学科
1. 序論

植田研究室

福島 正道

自己遅延ヘテロダイン法によるマスターレーザー

原子スペクトルの精密計測技術によって実現さ の線幅測定、ナイフエッジ法による励起光源のビーム
れ る 高 精 度 な 原 子 時 計 は 、 全 地 球 測 位 シ ス テ ム プロファイル測定を行い、計算機による増幅シミュレ(GPS)制度の向上や超高速大容量通信ネットワーク ーションを行った。など、現代社会を支える先端技術において必要不可欠な技術となっている。近年では従来の時間の国際

2. 原理・装置標準であるセシウム原子時計に変わり、光格子時計

2.1による周波数基準を基にして秒を再定義しようと

光ファイバー内で起こるラマン散乱とは、伝搬すする動きが高まっている。

誘導ラマン散乱る信号光が別の伝搬光に移される現象である。この

光格子時計とは、2001 年に東京大学工学系研究 別の伝搬光はストークス光と呼ばれ、元の信号光と科の香取秀俊准教授(当時)によって提案され、2005 は分子振動の振動モードの運動エネルギーに相当
年に実現された新しい方式である。「レーザー冷却 する周波数の差を持つ。Fig. 1 にラマン散乱のエネされた中世アルカリ土類原子集団を対象としたラ ルギー図を示した。また、ラマン閾値の式を以下にゼー分光」及び、「単一イオンのラム・ディッケ領 表す。
域でのドップラーフリー分光」の 2 つの測定方法の𝑃th𝑆𝑅𝑆 ≈メリットを両立したアイディアであり、１次のドッ16𝐴𝑒𝑓𝑓
𝑔𝑅 𝑙𝑒𝑓𝑓

プラーシフトの排除、複数の原子を同時に探査する ただし、𝑔𝑅 はラマン利得、𝐴𝑒𝑓𝑓 は有効コア面積、𝑙𝑒𝑓𝑓
ことによって S/N 比の向上に成功し、極限的な安定 は有効相互作用長である。誘導ラマン散乱とは非線度と正確さを併せ持つ原子時計を構成している。原 形媒質にラマン閾値を超えるような強いポンプ光子は複数本のレーザー光による空間的な干渉パタ を入射すると自発的にラマン散乱が生じ、ポンプパーンによる三次元的なラム・ディッケ領域に閉じ込 ワーの大半がストークス光パワーに変換される現められるが、この三次元の光格子トラップポテンシ 象である。
ャル自身が原子の遷移周波数に影響を与えてしまう。このとき、マジック波長と呼ばれる波長にトラップ波長を同期することでトラップポテンシャルが遷移周波数に与える影響を消失させることができる。
本研究では Sr 原子を用いた光格子時計のトラップ用光源(813 nm)の 2 倍波長である 1627 nm レー
ザ ー の 出 力 を fiber-MOPA(Master OscillatorPower Amplifier)によって増幅することを目的とし、
1

Fig. 1. ラマン散乱のエネルギー図

得られたビート信号をローレンツフィッティングによって2.2規格化した(Fig. 4.)。この結果、線幅は約1.5 MHz であった。

fiber-MOPA

fiber-MOPA とは、マスターレーザーと増幅器の両者で構成され、マスターレーザーの性質をそのままに、ファイバー中で出力増幅を行うことができる手法である。特徴としてはビーム品質が良く、機械的安定性が良い、高冷却効果が見込める。また。光学系がオールファイバーで構成できるため、系を軽量かつ小型で構成することができる。
本実験のマスターレーザーには発信波長 1627

Fig. 3 自己遅延ヘテロダイン測定実験系

nm の DFB(Distributed Feedback)レーザー、増幅器には発信波長 1550nm の EDFL(Erbium DopedFiber Laser)を用いて光学系(Fig. 2 )を構築した。

Fig. 2. 実験光学系

3. 実験
3.1

Fig. 4 フィッティング後のビート信号

自己遅延ヘテロダイン法

DFB レーザーの線幅測定に自己遅延ヘテロダイ法を用いた。出力光はファイバカプラによって光を3.22 つに分け、片方は 1 km ファイバーで遅延させ、励起光源として用いた IPG PHOTONICS 社の発ナイフエッジ法

もう片方は音響光学素子(AOM)で周波数シフトさ 信波長 1550 nm の EDFL は赤外光かつ、通常のせた。その後ビームスプリッターで再度重ね合わせ、CCD カメラでは捉えることができない。また、ビビートを RF-spectrum analyzer で測定した(Fig. ームモードが不明だったためナイフエッジ法によ3.)。この時の分解能は∆f =るビームモードの測定を行った。自由空間を伝播するレーザー光の進行方向に z 軸、進行方向に垂直な

𝑐= 200 kHz
𝑛𝐿

2 方向に x 軸、y 軸を取った。本実験で用いたレーであった。ただし、c は光速、n はコアの屈折率、L は遅延フ ザーは、位置 z における z 軸に垂直な断面の強度分布が、x 方向、y 方向それぞれ Gaussian で記述ァイバー長である。
2されるため Gaussian 光と呼ばれ、特にその中でもTEM00 モードという光である。実験系を Fig. 5 のように取った。
実際にはナイフの刃によってビームの一部を遮り、通過した部分のビーム強度を Photo Detectorによって測定した。移動ステージを用いて y 軸方向に徐々に刃を移動させてビームを遮りながらビーム強度を測定すると、ある位置 z でのビーム径が分かる。さらに、このビーム半径測定を様々な z について行い、それぞれ以下の誤差関数を用いてフィッティングをおこなった(Fig. 6.)。
erf(𝑥) =2∞

Fig. 6. ビーム径測定
2∫ 𝑒 −𝑡 𝑑𝑡√π 𝑥erfc(𝑥) = 1 − erf(𝑥) =2∞2∫ 𝑒 −𝑡 𝑑𝑡√π 𝑥

それらを整理すると xy 平面内でのビームウエスト
𝜔0𝑥 が求められた(Fig. 7.)。このとき、以下の式によってフィッティングを行った。
2

ω2𝑥 (𝑧) = ω20𝑥 [1 + (𝑀2 𝜆(𝑧 − 𝑧𝑥 )) ]2π𝜔0𝑥𝑛λは波長、𝑀2 はエムスクエア、n は屈折率、𝑧𝑥 はFig. 7. ビームウエスト測定

ビームウエストを取るときの z 軸の位置である。

以上の測定から Gaussian ビームのビームプロファイルを決定し、エムスクエアは 1.15、ABCD 則によって元のビームウエストは 4.2 mm となった。

3.3 計算機シミュレーション計算機を用いて、ラマン増幅の計算シミュレーションを行った。ラマン増幅ではポンプパワーが大き
Fig. 5. 実験図ければ大きいほど、ファイバー長が長ければ長いほど Output Power はポンプパワー近くまで増幅される。しかし、単一周波数ファイバー増幅では、ファ3イバー中に励起された音響フォノンによって光が4. まとめと今後の展望後方へ散乱される SBS が問題となり、増幅は制限光学系を組み、計算機シミュレーションを行うことで最大出力 18 mW のマスターレーザーを 4 W まで増される。その閾値は以下の式で表せる。
𝑃th,SBS ≈ 21

𝐿𝑒𝑓𝑓 =𝐴𝑒𝑓𝑓
𝑔𝐵 𝐿𝑒𝑓𝑓

1(1 − exp(−αL))α(α =幅できることが分かった。
今後の展望としては励起光をシングルモードファイバーに入れる時のカップリング効率の向上、また、実𝑔𝑅 𝑃𝑝)
𝐴𝑒𝑓𝑓

際にラマン増幅実験を行ってシミュレーションとの比

ただし、𝐴𝑒𝑓𝑓 は有効コア面積、𝑔𝐵 はブリルアン利得 較をし、最終的には PPLN 等の波長変換素子を用いて係数、𝐿𝑒𝑓𝑓 は有効相互作用長、L はファイバー長、𝑔𝑅トラップ波長である 813 nm を出し、その時の変換効はラマン利得係数、𝑃𝑝 はポンプパワーである。式か 率を考慮する必要があるだろう。
ら見て分かるように、ファイバー長が長くするとSBS 閾値が下がってくることが分かる。つまり、ある程度の増幅ができ、かつ SBS 閾値が効いてこないようにファイバーの長さを決定しなくてはならない。その結果をシミュレーションしたのが Fig. 8である。

Fig. 8. 計算機シミュレーション

このシミュレーションからファイバー長をおよそ 200 m にすると約 4 W の増幅が得られることが分かった。

4