広帯域狭線幅光源のための光周波数コムの開発
武者研究室

松丸直也

1. はじめに周波数基準として光周波数コムを開発する。光周

現在、レーザーの応用として高精度分光[1,2]や波数コムとは図 1 の様に光周波数領域において全絶対周波数の測定[3]、時間・長さ標準[4]などがあての縦モードが安定化された縦モード列であり、るが、これらの応用には周波数安定化レーザーがそれらの縦モード列は次数 n 及び、マイクロ波周用いられる。レーザーの周波数安定度はレーザー波数である各縦モードの間隔 frep 及びゼロオフセの周波数を f,その周波数雑音を Δf としたとき∆𝑓⁄𝑓

ット周波数 fceo によって決定され、以下の式で表さで表され、周波数安定化レーザーは周波数雑音 Δfれる。

を低減することで実現できる。高い周波数安定度

f n  f ceo  n  f repを得るための方法として負帰還制御を用いた周波(1)数の制御があり、この方法では原子・分子の吸収そのため光周波数領域の縦モードのうち 2 つの周線や光共振器の共振周波数、他の周波数安定化レ

波数を安定化することで、全ての縦モード列を安ーザーなどの安定な周波数基準に対しレーザーの定化し、光周波数コムを開発することができる。

周波数を一致させる[5]。この時のレーザーの周波本研究ではファイバーモード同期レーザーを開発

数安定度は周波数基準の周波数安定度に依存する。

し、fceo と frep の 2 つのパラメーターを周波数安定

また開発したレーザーの線幅評価にも周波数安定化することによって、1 秒で周波数安定度 10-15 の度の高いレーザーが必要となる。何故ならば、レ

光周波数コムを開発する。

ーザーの周波数は数百 THz と非常に高く、直接検出は不可能であるためである。周波数安定度の非常に高いレーザーはコヒーレン長が非常に長いため、線幅評価には同程度以上の周波数安定度のレーザーを用いられる。2 つのレーザーのヘテロダ
インビートを検出すると、RF 領域でヘテロダイン
図 1 光周波数コムビートが観測され、その線幅は 2 つのレーザーのうち周波数安定度の低いレーザーに依存するため、

2. 光周波数コムの開発
2.1. モード同期レーザーの開発

これによって線幅の評価を行うことができる。
上記のとおり、レーザーの周波数安定化及び線幅評価には周波数安定度の高い基準やレーザーが本研究では光周波数コムの光源として Er ファイ必要であるが各応用において周波数基準を準備すバーモード同期レーザーを開発した。この光源はることは原子分子の吸収線が離散的かつ特定の周オールファイバー化が可能であるため長期動作に波数帯でのみ存在し、光共振器の線幅にも周波数優れている。モード同期レーザーは図 2 の様にな依存性があることから困難である。従って本研究っており、励起光源として発振波長 976 nm のファでは広い周波数帯域で用いることのできる広帯域イバーブラッググレーティング付きの波長安定化
12.2. fceo の安定化レーザーを用いている。また非線形偏波回転を用いたモード同期を行うためにポラライザー、λ/2、光周波数コムの縦モードは 2 つの周波数 fceo とλ/4 板を挿入し、片方向発振するためのアイソレ

frep によって決まるため、光周波数コムの周波数安ーターにもポラライザーがついている。モード同定度もこれらの周波数安定度に依存する。そこで期レーザーの繰り返し周波数 frep は共振器長によ2 つの周波数安定度の n 次の縦モード fn の周波数って決まるため、これのために PZT と EOM(Electro

安定度に対する寄与を考えると、
f ceof n
1 f ceo 1 f ceo
fnf ceo  n  f rep n f repn f ceo(2)

み偏波保持ファイバーとなっている。各波長板と

f repn  f ceo
f n

fnf ceo  n  f rep
f rep

(3)

ポラライザーを調整し、モード同期発振時の発振で表される。ここで frep は 50 MHz であり、fceo はスペクトルと時間波形を図 3,4 に示す。この時のfrep よりも小さい。そして fn は光周波数領域の縦モ

平均出力は 0.6 mW であり、繰り返し周波数は共ードであるため数百 THz であり、次数 n は 106 オ振器長に対応した約 50 MHz であった。この強度ーダーである。この式から、fceo はその周波数雑音

は EOM が約 2.7 dB の挿入損があるため、低いもΔfceo がそのまま fn に寄与するために、光周波数領のとなっていると考えられる。

域に対する周波数安定度の寄与は n 分の 1 となる

Optic Modulator)を併用しており、これにより広いダイナミックレンジと高速制御を可能としている。
また EOM とアイソレーターの間のファイバーのことが分かる。frep については周波数雑音 Δfrep が n倍されるために、その周波数安定度は光周波数領域の周波数 fn の周波数安定度に対してそのまま寄与する。負帰還制御により周波数安定化を行った時の周波数安定度は周波数基準に依存するため、光周波数コムの縦モード fn において 10-15 の周波数安定度を目指すとき、fceo の安定化に用いるマイクロ波周波数基準の周波数安定度で十分である。
本研究では fceo の検出のために図 5 の様な f-2f干渉計を開発した。まずモード同期レーザーの出力 3 dB カプラーで 2 つに分け、図 5 の光学系に入射する。その後パルスを自作の EDFA(Erbium
図 2 モード同期レーザー

Doped Fiber Amplifier)でアンプする。EDFA の入出力特性を図 6 に示す。

-20-30power [dBm]-40-50-60-70-80-90-100
1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700
wavelength [nm]図 3 発振スペクトル 図 4 時間波形

図 52f-2f 干渉計

赤が HNLF によって拡がったスーパーコンティニ
ューム光、青が PPLN によって発生した第二高調100波である。オクターブ以上拡げた場合、図 7 のように基本波と第二高調波のスペクトルが重なって80output [mW]いることが分かる。その後高周波数側の基本波 fbと低周波数側の第二高調波 2fa のヘテロダインビ

60ート fbeat が光検出器で検出される。この fbeat は、
40f beat  f ceo  2a  b  f rep(4)20で表される。ここで frep の倍数の信号は電気的なロ00ーパスフィルターによってカットできる。HNLF

100 200 300 400 500 600 700

図 6pomp power [mW]の前後のファイバーの長さや偏光状態、EDFA のEDFA の出力特性出力のパワーなどを調整することで約 30 dB の SN比で図 8 のような fceo を検出した。その後、マイクアンプ後のパルスは高非線形ファイバー(HNLF:ロ波基準との位相差を検出し、モード同期レーザHigh Nonlinear Fiber)に入射し、非線形光学効果にーの電流源に制御信号を入力する。これは時間軸よりスペクトルが拡大する。この効果によってス上でのパルス列(図 9)を考えたとき、fceo がパルスペクトルをオクターブ以上拡げる。この時の低周のキャリアエンベロープ位相 φcep のパルス間での波数側の縦モードを fa、高周波数側の縦モードを差、Δφcep を用いて、fb とする。ファイバーから出射されたレーザー光

f ceo   cep

は PPLN(Periodically Polled Lithium Niobate)によっf rep(5)2て低周波数側の第二高調波が発生する。この時のと表されるからである。すなわち、励起 LD のパ

スーパーコンティニューム光及び第二高調波を図ワーを制御することでパルスのピークパワーを制7 に示す。

御し、fceo を制御することができる。

-40-20-50
power [dBm]

power spectrum [dBm]0-40-60-60-70-80-100
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200-806wavelength [nm]81012frequency [MHz]図 7 基本波と第二高調波図 8 検出した fceo314図 9 時間軸上でのパルス列
図 10 飽和した PFD の出力次に検出した fceo をマイクロ波周波数基準に対して位相同期を行うことを目指した。しかし、現2.3. frep の安定化

状では fceo はマイクロ波周波数基準の発振周波数に対して追従はするものの線幅が狭窄化すること(3)式を見てわかるように、frep の安定度は光周波はなかった。これは検出されたい雑音が検出器の数コムの全縦モードの安定度に対して直接寄与すダイナミックレンジ内に収まっていないことからる。本研究ではまず、モード同期レーザーの各縦起きたと考えられる。本研究では位相差を検出すモードのヘテロダインビートとして frep を検出し、る際、位相周波数弁別器 (PFD: Phase Frequency

それをマイクロ波周波数基準に対して位相同期をDiscriminator)を用いている。これは位相差に比例行った。その時の frep の周波数安定度のアラン分散した出力電圧の特性を持ち、-2π~0 rad までの位相は図 11 の様になった。赤が制御時で青が無制御時差を約 0~2 V の範囲でほぼ線形に出力する。狭窄

である。安定化した際は 1 秒で 10-11 の安定度であ化が起こらなかった際の PFD の出力信号を測定す

り、無制御時よりも 3 桁ほど安定度が向上した。

ると図 10 のような 0~2 V の飽和した信号が見えた。 しかしこの周波数安定度は用いたマイクロ波周波
このことから PFD のダイナミックレンジよりも大数基準により制限されており、さらなる安定度のきい位相差が入力されたために線形範囲に収まら向上はできない。そのため目標である 1 秒で 10-15なかったことから、位相同期をできず fceo の信号がの周波数安定度はマイクロ波周波数基準では困難安定化されなかったと考えられる。これを解決すであると分かる。

るには PFD に入力される雑音を抑える必要がある。
そのため今後は分周で雑音を抑える、もしくは制御帯域を拡大により現状よりも雑音を抑えることが求められる。これらの対策によって安定化した際の fceo の安定度はマイクロ波周波数基準と同等か、それ以下になると考えられる。仮に s 分周を行い安定化した際の安定度は、マイクロ波周波数基準の安定度よりも s 倍ほど悪化すると考えられるが、(2)式より光周波数領域の縦モードの周波数安定度に対する fceo の安定度の寄与は次数 n がある
ため、1 秒で 10-15 の安定度を目指す場合は問題な

図 11

いと考えられる。
4

frep の安定度のアラン分散(マイクロ波)

そこで本研究では図 12 のような系で自作のEDFA によってアンプしたモード同期レーザーと1 秒で 10-15 の安定度が実現可能な狭線幅光源[6]とのヘテロダインビートを検出する。そして検出された信号をマイクロ波周波数基準に対して位相同期することで、周波数安定化を目指した。なお、制御信号は低速部と高速部に分かれており、それぞれ PZT と EOM に帰還している。また設計・実装した制御回路の高速部には一般的な電圧帰還オ

図 12 光周波数コムの実験概要図

ペアンプではなく、高速応答が可能な電流帰還オペアンプを用いている。図 12 のような系で fceo と本研究ではまず無制御の外部共振器型半導体レfrep の安定化を行った場合を考える。まず fceo はマーザー(ECLD: External Cavity Laser Diode)を用いイクロ波周波数基準に位相同期されるため、そのて実験を行った。図 12 の実験系でモード同期レー雑音 Δfceo はマイクロ波周波数基準によって決定さザーと無制御の ECLD とのヘテロダインビートをれ、1 秒で数 mHz オーダーであると予想される。

安定化した際の位相雑音スペクトルを図 13 に示

またモード同期レーザーのある縦モード fm は狭線す。赤い線が安定化した際のスペクトルであり、幅光源に同期されており、仮に狭線幅光源の線幅青い点線が無制御時のスペクトルの推定値である。

を 1 Hz とすると、縦モードの線幅も 1 Hz となる。

制御帯域は 300 kHz であった。

ここで fm は狭線幅光源の周波数を fCW、マイクロ波基準の周波数を fμfreq.とすると、(6)である。雑音成分を考えると、fceo の持つ雑音 Δfceo
はマイクロ波周波数基準に位相同期した場合、数-531010210110-6100Allan deviation

Phase noise spectrum [rad/√Hz]f m  f ceo  m  f rep  f CW  f freq.

41010-110-210-310-8-41010-510-610-9010mHz オーダーであり、Δfμfreq.も同様である。これら

110210310410510610frequency [Hz]図 13 雑音スペクトルの値は狭線幅光源の線幅 1 Hz と比べて十分に小さ-71010010110210310410Averaging time [s]図 14 アラン分散(光)い。そのため、frep の安定度は

f repf CW
f rep
f CW

この時の周波数安定度を評価するために、ECLDに対して位相同期を行ったモード同期レーザーの(7)frep を周波数カウンターによって測定した。その時となる。(3)式より、frep の安定度は全ての縦モードの frep の安定度のアラン分散を図 14 に示す。赤のに対して直接寄与し、なおかつ fceo は n 分の一で寄プロットが制御時、青のプロットが無制御時であ与するため、全ての縦モードの安定度は 1 秒でり、これらはほぼ一致している。また frep と同時に10-15の周波数安定度を実現できる。

ECLD の周波数を波長計を用いて測定した。その時の ECLD の周波数安定度も緑のプロットで図 14に載せる。なお、短時間の安定度については波長計の分解能によってリミットされているため、長時間の安定度のみを載せる。図 14 を見ると ECLD5の安定度と frep の安定度が一致しており、このことから長期的な安定度については ECLD の発振周波3.

まとめと今後の展望数のシフトによって決定されていると分かる。次

本研究では広帯域で用いる光周波数基準のために短期的な安定度について考えると、1 秒での frepに 1 秒で 10-15 の周波数安定度を持つ光周波数コムの安定度は 10-9 オーダーであり、その雑音 Δfrep はの開発を目指した。そのために Er 添加ファイバー

100 mHz オーダーである。そこで無制御の fceo とを用いたモード同期レーザーを開発した。その後、ECLD の発振周波数 fCW の雑音が frep の雑音にどの光周波数コムを開発するため 2 つのパラメーターように寄与するかを考えると、それぞれの周波数安定化を行った。現在の光周波数コムのf rep 11
f n  f ECLDnn(8)1f ceon(9)f rep 

安定度は短期的には無制御の fceo によって支配されていることが分かっているため、今後は分周や制御帯域を拡大するなどの方法によってマイクロ波周波数基準に対し位相同期を行い、fceo の狭窄化で表される。ここで fceo の線幅を f-2f 干渉計、fCWの必要がある。ECLD については本研究室の過去の線幅を自己遅延ヘテロダイン法を用いて測定しの研究[6]より十分な安定度が出ることが見込まれた。それぞれの線幅は図 15 のようになり、赤がているため、ECLD の発振周波数を高フィネスのECLD、青が fceo である。Δfceo= 74 kHz、ΔfCW= 9.5 kHz

光共振器の共振周波数に対して同期することで 1であった。ここから(8),(9)式を用いて frep に対する秒で 10-15 の周波数安定度を持った光周波数コムが寄与を考えると、fceo は 190 mHz、fCW は 2.4 mHz開発できると考えられる。さらに、開発した高精となり、このことから短期的な安定度に関しては度ファイバーリンクシステム[7]を構築することで、無制御の fceo によってリミットされていることが本研究室で開発している 515 nm ヨウ素安定化レ分かる。そのため fceo と ECLD を安定化することーザーなどの他の帯域の線幅評価や他研究室に対が求められ、これら二つの線幅をそれぞれ 1 Hz 以して光周波数基準を配信することができると考え下にすることができれば全縦モードが 1 秒で 10-15られる。の周波数安定度の光周波数コムを開発することができる。

4.

参考文献

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1

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スコース修士論文
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0.2

0 5-5 105-2.5 10052.5 1055 10frequency [Hz]図 15 ECLD と fceo の線幅6