超狭線幅光源を用いた光周波数コムの周波数安定化
武者研究室	  村井陵輔

1. 序論	  広帯域光周波数基準は、超狭線幅光源の	  レーザーは単一周波数を持つ位相が揃っ波長に依存せず、様々な波長光源の安定化たコヒーレントな光であるが故に、周波数及び評価を可能とする。例えば、DECIGO揺らぎの少ない光源である。そのため、分に用いる波長 1 µm のヨウ素安定化レーザ

光や測距など高い周波数安定度が必要とさーの周波数安定化や、周波数安定度の評価れる分野での応用が盛んである。これらのに使用する。また、光ファイバーによる長応用分野において、現在の水準よりも高い距離精密伝送システムが確立すれば、本研精度での測定が望まれるが、そのためには究室で開発した広帯域光周波数基準を他のより周波数揺らぎの少ないレーザー光源の研究機関でも使用することが可能となる。

開発が必要となる。具体的には、1 Hz 以下(周波数安定度 10-15@1 秒)の線幅が要求さ2. 原理れている。このような線幅の細いレーザー

2.1 超狭線幅光源

光を発生させるには、安定な周波数基準に	  超狭線幅光源とは線幅を極限まで狭窄化対してレーザーの発振周波数を安定化させしたレーザー光源である。F.P.光共振器のる必要がある。本研究では周波数基準とし共振周波数を𝑓! 、その変化量を𝛥𝑓! 、共振器て Fabry-Perot(F.P.)光共振器の共振周波長を L、その変化量を ΔL とすると、数を用いて波長 1550 nm の外部共振器型
半 導 体 レ ー ザ ー (External Cavity Laser
Diode:ECLD)の線幅の狭窄化を行う。これにより極限まで線幅が狭窄化されたレーザー光源を超狭線幅光源と呼ぶ。超狭線幅光源は、その高い周波数安定度を利用して超高精度の分光や測距などに応用が期待されるが、超狭線幅光源と大きく異なる波長光源の評価や安定化には使用できない。この解決策として、我々は超狭線幅光源と光周波数コム(光コム)の縦モード 1 本を位相同期させることにより、光コムの全ての縦モードに超狭線幅光源の周波数安定度を移乗した広帯域光周波数基準を開発することを目標とする。

𝛥𝑓!
∆𝐿   =     𝑓!
𝐿(2.1)の関係が成り立つ。式(2.1)から、共振器長の変動が共振周波数の安定度を決定することがわかる。共振器長は様々な外乱の影響によって変動するため、その外乱の影響を抑制する工夫が必要である。	  マクロな外乱には、スペーサーの熱膨張、地面振動がある。熱膨張対策として熱膨張率の低い Ultra-Low-Expansion(ULE)ガラスをスペーサー素材とした F.P.光共振器を用いた。ULE ガラスは、熱膨張率が温度に依存して変化する。熱膨張率の最も小さくなる温度に温度制御を施すことで共振器長L の変動を抑制する。また、地面振動に対3. 超狭線幅光源の開発する工夫として、振動を相殺する支持点(Airy-Point)で共振器を支えることで、共振器長変動に影響する縦振動を抑制している。

2.2	  光周波数コム
光コムは光のものさしと呼ばれ、周波数軸上において櫛(comb)のように等間隔に縦モードが並んだ光源である(図 2.1)。光コム

図 3.1 狭線幅光源実験系

はモード同期レーザー(Mode Lock Laser :	  超狭線幅光源開発実験系のセットアップMLL)及び電気光学変調器(Electro Opticalを図 3.1 に示す。この系は光源部、周波数Modulator: EOM)による位相変調により発基準部、制御系で構成されている。光源部

生が可能である。

は狭窄化を行う波長 1550 nm の ECLD からの光を周波数基準部と光コムとの位相同期系へと分配する。周波数基準部ではPound- Drever-Hall(PDH)法を用いて周波数弁別曲線を取得するため、ECLD の光にEOM による 15 MHz の位相変調を加える。

図 2.1 光周波数コム

その後、F.P.光共振器の透過光と反射光を

図 2.1 に示すように縦モードと縦モード

Photo Detector(PD)により電気信号に変換の間隔を繰り返し周波数𝑓!"# と呼ぶ。縦モーし制御部へと送られる。その後信号は、ドを仮想的に 0 まで拡張した際、0 周波数

Local Oscillator(LO)の変調信号と Doubleに最も近い縦モードをキャリアエンベロー

Balanced Mixer(DBM)で乗算される。そのプ周波数(carrier envelope frequency)  𝑓!"#

後サーボフィルタへと入力され、最適化しと呼ぶ。ここで、n 番目の縦モードの周波たのち、ECLD の電流源へと信号をフィー

数を𝑓! とすると、周波数基準に同期した𝑓!"#ドバックさせることにより ECLD の周波数と𝑓!"# を用いると𝑓! はを安定化させている。
図 3.2 にサーボフィルタの周波数応答シミ

𝑓! = 𝑓!"# + 𝑛 ∙ 𝑓!"#(2.2)と表せる。従って、この𝑓!"# と𝑓!"# を観測し、安定化させることによって全ての縦モードが定義され、広帯域の周波数基準となる。

ュレーションを示す。また図 3.3 に実際にサーボフィルタを用いて周波数安定化を施した際の周波数雑音スペクトルの測定結果を示す。

は、この光源と同程度以上の周波数安定度

250200FastSlow150を持つ光源を用いて測定する必要がある。

Gain [dB]10050

4. 超狭線幅光源と光コムの位相同期

0-50	  前項において開発した超狭線幅光源と光-100-150

コムの𝑓!"# を位相同期させることにより、光-200-250 -3
10-1

10110310510710910

周波数安定度を移乗した広帯域光周波数基

Frequency [Hz]図 3.2	  周波数応答シミュレーション

準を開発する。図 4.1 に位相同期実験系のセットアップを示す。

106
Frequency Noise [Hz/√Hz]

周波数コムの全縦モードに超狭線幅光源のFreerunLocked

103

10010-3100101102103104
Frequency [Hz]105106

図 3.3	  周波数雑音スペクトル
図 3.2 からシミュレーション上では低速制

図 4.1	  位相同期実験系

御回路に高速制御回路を付加することによ

図 4.1 に沿って実験系の機構を追う。赤枠り、制御帯域の広帯域化が成されている。

内は Mode Locked Laser(MLL)である。ま実際に図 3.3 を見ると、1 Hz における周波ず中心波長 976 nm の LD を励起光源とし数雑音は 10-1 Hz/√Hz を下回っており、目て、リング型共振器内の Erbium Doped

標の 1 Hz/√Hz を達成している。また、制Fiber(EDF)を励起し、中心波長 1550 nm

御帯域は 1 MHz 以上得られている。この結の光を発生させる。EDF は PZT に巻き付果から、サーボフィルタは 1 MHz まで 1けられており、PZT に電圧を印加すること

Hz/√Hz を下回る性能を持つことが分かっ

により共振器長の制御を行う。また、ここた。しかし、この結果は誤差信号評価であでの EOM は位相変調を加える目的ではなり、周波数基準への追従度の指標である。

く、屈折率を変化させることにより光学長

仮に周波数基準が揺らいでいれば、実際のの制御を行う素子として用いる。PZT とレーザーの発振周波数はこの測定結果より

EOM の制御により𝑓!"# の制御帯域の拡大をも周波数安定度が悪くなる可能性がある。

図る。実際には EOM による制御は準備段

超狭線幅光源の周波数安定度を実測するに階であり、本研究では PZT のみによる制御である。光は偏光板、1/2 及び 1/4 波長板を最低限必要な信号の SN 比は 30 dB である

通り、非線形偏光回転を用いた受動モードが、現段階では 30 dB 以上の信号が安定的同期を行なう。MLL からのパルス光はに得られていないため実際に位相同期を行Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)でうことはできなかった。

増幅される。これは、超狭線幅光源と𝑓!"# のビート信号の SN 比を向上させるためであ5. まとめと展望る。EDFA 後の光フィルタも同様の目的が5.1	  まとめある。増幅されたパルスは 3dB カプラを介	  共振器の共振周波数と ECLD の発振周波し超狭線幅光源とのビート信号として PD数を一致させる電気的負帰還制御を施し、で検出される。ビート信号の高周波成分は超狭線幅光源を開発した。周波数雑音スペLow Path Filter で除去された後、40dB アクトルを測定した結果、制御帯域は 1 MHzンプにより増幅され、周波数カウンタ、以上で 1 Hz における目標値 1 Hz/√Hz を下

Phase Frequency Discriminator(PFD)へ回る 0.1 Hz/√Hz を達成した。と送られる。同時に、PFD には Rb 原子時	  開発した超狭線幅光源と光コムの𝑓!"# の計に位相同期されたシンセサイザから基準ビート信号を取得した。2 段の光アンプと信号を挿入する。PFD から出力される位相光フィルタを用いることで 30 dB を上回る差の信号はサーボフィルタを介し PZT へとSN 比を得た。しかし、この値を安定的に得フィードバックすることにより、位相同期ることはできず実際に超狭線幅光源と光コを行う。図 4.2 に取得した超狭線幅光源とムの位相同期を行うことはできなかった。	 

光コムの縦モードのビート信号を示す。

5.2	  今後の展望

10	  超狭線幅光源と光コムの位相同期を最終
EDFA1+2+Filter
EDFA1

Signal [dBm]0目標とし研究を行ってきたが、実際に位相-10同期を行うに至らなかった。原因はビート-20信号の SN 比 30 dB 以上を安定的に得られ-30なかったためである。そのため今後の目標-402 106

として、まず SN 比の向上を行う必要があ
4 106

6 106
8 106
Frequency [Hz]10 106る。具体的には、安定的に SN 比 35 dB 以

図 4.2 超狭線幅光源と光コムのビート信号上のビート信号を取得することを目標とす

青線は EDFA1 段の場合の信号であり、赤る。次に実際に位相同期を行い、光コムの線は EDFA を 2 段にし、光フィルタを挿入周波数安定度を測定する。位相同期を行い、した場合の信号である。この結果から、赤広帯域光周波数基準を開発した後の展望と線のビート信号の SN 比は 30 dB を越えてして、超狭線幅光源の波長とは異なる波長いることが分かる。PFD の特性上、制御にを持つ光源の安定化及び評価を行う。