デュアルコム分光に向けた非線形増幅ループミラーを用いた光周波数コムの開発
岩國研究室

1 概要

髙橋 亜稀と呼ばれる．Trep と Tceo にはデュアルコム分光法は繰り返し周波数 frep がわ

Trep =

ずかに異なる２つの光コムの干渉を利用し，他のφceo
Tceo
2π(1)

分光法よりも短時間で広帯域なモード分解スペクという関係がある．図 1(b) は周波数領域の光コムトルを取得する分光手法である．従来のデュアルの出力を示す．フーリエ変換の関係から，スペクコム分光計では異なる frep の光コムを発生させる

トル幅 ∆ν = 1/∆τ ，fceo = 1/Tceo ，frep = 1/Trep

ため２台のレーザー共振器が用いられてきた．ことなる．光コムの n 番目のモードの周波数 fn は，の場合，２台の光コムの位相を相対的に安定にす

fn = fceo + nfrep(2)

る必要があるが，難易度が高く普及の妨げになっている．
本研究では，偏波保持 (PM) ファイバーの速軸と遅軸を伝搬するそれぞれの偏光成分でモード同と表せる．fceo と frep は RF 領域の信号で，これを周波数標準に安定化することで光コムの各モードに絶対周波数を値づけることができる．

期を実現することで，１つのレーザー共振器から光コムは周波数がわずかに異なる CW レーザーfrep の異なる光コムを発生させる．レーザー共振の集まりと見做せることから，分光計測に応用さ器を共有するため，２つの光コムの周波数ドリフれている．しかし，100 MHz 程度の間隔で並ぶ発トやノイズが似た振る舞いになり，制御が容易と振モードを分離することは難しく，一般的な分光なる．また，開発するレーザー共振器は PM ファ

計では光コムの高い周波数分解能を十分に利用でイバーで構成されているため，環境変動に対しきない．これを解決する主な手法として，高分散て堅牢であり，長時間計測が可能になると期待される．

2 研究背景と原理
2.1

光コムと光コムを用いた分光法

図 1(a) は時間領域におけるモード同期レーザーの出力を示す．光コムはモード同期レーザーの出力として得られ，幅 ∆τ のパルスが，共振器長で決まる繰り返し周期 Trep 毎に発生する．パルスの包絡線と搬送波の伝搬速度，つまり群速度と位相速度の差によってキャリアエンベロープオフセット
位相 φceo が生じる．これに対応する周期は Tceo
図 1: 光コムの出力．(a) 時間領域，(b) 周波数領域．

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2素子を用いた分光法，マイケルソン干渉計を用いた後に，PBS2 で干渉する．図 4 はループで与えたフーリエ変換分光法，デュアルコム分光法があられる非線形位相シフトの時計回りの場合と反時る．特に，デュアルコム分光法は特殊な光学素子計回りの場合の差 ∆ϕnl と，共振器透過率の関係を必要とせず，短時間で広帯域なモード分解スペを示す．位相オフセット ϕ が 0 のとき青線プロックトルを取得できるため，開発が進んでいる．

トになり，∆ϕnl が 0 の場合には透過率が 1 にな

図 2 はデュアルコム分光計の概要を示す．光コる．モード同期を実現するには，ピークパワーが高くなるにつれ，つまり ∆ϕnl が大きくなるにつれて透過率が高くなる過飽和吸収機構が必要である．そのため９の字型レーザーでは ϕ を適切に設定する必要があり，図 3 の構成の共振器の場合，

2ϕ = π/2 がモード同期実現に適している．
図 2: デュアルコム分光計

EDF

ECW

Einのパルスの重なりが時間的に変化することでイン90°

ϕ FR

ム１と光コム２の frep の差 ∆frep により，２つmirror

Er PBS2 WP

PBS1

ECCW

ターフェログラムが得られる．これをフーリエ変図 3: ９の字型レーザー．WP : 波長板，ϕ : 位相換してスペクトルを得る．観測可能なスペクトル

差，FR : ファラデーローテータ―，EDF :帯域はエイリアシングで制限され，frep 2 /(2∆frep )である．広帯域スペクトルの観察には ∆frep を小Er 添加ファイバー，十字 : ファイバーを 90°撚って融着．

さくする必要があるが，∆frep は２つの光コムのビート信号の線幅よりは小さくできない．そのため２台の光コムの高い相対安定性が必要になる．
また，長時間スペクトルを積算すると，光コム自身のスペクトルが変化するため，分子の吸収信号の規格化ができない．
これらの課題を解決するため，本研究では１台のレーザー共振器で frep の異なる光コムを発生させる．また，レーザー共振器を PM ファイバーで構成することで，環境変動に堅牢な光コムを開発

図 4: ∆ϕnl による共振器透過率する．

2.2

非線形増幅ループミラーによるモード同期

図 3 は非線形増幅ループミラー (NALM) の反3 モード同期レーザーの開発射を用いた９の字型のレーザーを示す．PBS1 を

図 5 は開発したモード同期レーザーの構成を示

反射，透過する光はファイバーで構成されたルー

す．本研究では９の字型レーザーをもとに，PMプをそれぞれ時計回り，反時計回りに伝搬する．

ファイバーの速軸と遅軸を伝搬する２つの偏光成ループを１周すると PBS1 で再び結合し，ファラ分でそれぞれモード同期を実現した．この構成でデーローテーターで偏光方向を 45°回転させられは２つの光コムが PM ファイバーで構成される

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port 1
PBS1collimator FR

3
outputλ/2 PBS2

EOM

port 2

80%mirror
picomotor+PZT

90°
TEC

pump LD976 nmcoupler
EDF

図 5: モード同期レーザーの構成．EDF : Er 添加ファイバー，PBS : 偏光ビームスプリッター，TEC :ペルチェ素子，FR : ファラデーローテータ，EOM : 電気光学変調器．

NALM 部分を共有している．port2 に配置されたピコモーターで ∆frep が粗調でき，また EOM，PZT，TEC で２つの光コムの frep を独立に制御できる．図 6 は port1 側のモード間の光コムのビート信号を示しており，周波数カウンターで frep を計測したところ 71.5307 MHz であった．また図 7は port1 側の出力スペクトルを示しており，スペクトルは 1562 nm を中心に 27 nm 程度広がっている．図 8 は port2 側の出力スペクトルを示して

図 6: RF スペクトル (port1)いる．モード同期は実現されたが port1 側と比べてスペクトル形状が異なり，またパワーが 1/10 程度にとどまった．これは部分反射ミラーのカップリング効率が悪いことが原因と推測される．

4 モード同期レーザーの性能評価開発した光コム (PM コム) の周波数安定度とスペクトル安定度を，非線形偏波回転を用いてモー

図 7: 出力スペクトル (port1)

ド同期を実現した光コム (non-PM) コムと比較して評価した．

4.1

周波数安定度の評価

光コムの自由度は式 (2) より，fceo と frep の２つであり，周波数安定度の評価にはこれらを独立に測定する必要がある．しかし，今回は fceo の検出まで至らなかったため，測定に用いない別の光コムに安定化した外部共振器型半導体レーザー(ECLD) とのビート信号 fbeat を測定することに

図 8: 出力スペクトル (port2)

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4

図 12: PM コムのスペクトル変化
図 9: 周波数安定度測定の実験系

図 13: non-PM コムのスペクトル変化の影響を大きく受ける．箱で覆うと，青線プロッ
図 10: frep の相対アラン偏差

トのように温度変化に追従して frep と fbeat が変化する．PM コムの場合，図 10 の赤線プロットで示すように箱がない場合で比べると安定度が１桁程度高い．

4.2

スペクトル安定度の評価

レーザー共振器を構成するファイバーを TECで加熱し，スペクトル変化を測定した．図 12，13より，PM コムの方が温度によるスペクトル変化が１桁程度小さく，環境変動に対して堅牢であることが示された．
図 11: fbeat の相対アラン偏差5 まとめ
本研究ではデュアルコム分光計の開発を目指よって fceo の評価の代わりとした．図 9 は測定にし，NALM を用いて２つのポートでモード同期を用いた実験系を示す．

実現した．また，開発した光コムは non-PM ファ

図 10，図 11 は測定結果から計算した frep とfbeat の相対的なアラン偏差を示す．図 10 黄線プ
ロットの示すように，箱でレーザー共振器を覆っていない non-PM コムの場合，風などの環境変動イバーを用いた光コムより環境変動に対して堅牢であることを実証した．