ファイバーコムを用いた精密分光システムの開発
レーザー新世代研究センター	  武者研究室	  上原正典
1. 研究背景と目的

2. デュアルコム分光の原理	  分子運動を理解するためには、電子と原子核の	  光コムを分光に応用するには、その広帯域で高振動運動や回転運動を理解することが必須であ角度の性質を十分に活用しなければならない。しる。観測できる運動の状態は周波数帯域によってかし、光領域のスペクトル情報から周波数情報を異なっており、可視領域から紫外領域では電子運直接所得することは非常に困難である。そこで、動、赤外領域から RF 領域では振動運動と回転運高周波の信号を低周波領域に圧縮する簡便な方動が観測できる。電子や原子核の自転に相当する法として、デュアルコム分光が発明された。これ自由度をそれぞれ電子スピン角運動量、核スピンはフーリエ変換分光の一種である。その概念図を運動量と呼ぶ。これらの自由度は他の自由度と結図１に示す。二台のコムの frep は周波数差Δf だ合して様々な相互作用を引き起こす。微細構造やけ異なっている。一方のコムをシグナルコムとし超微細構造と呼ばれるスペクトル線の分裂がそて測定対象に照射し、もう一方のローカルコムをれらの例であり、分子の回転状態を知るだけなく、使ってシグナルコムとのビートスペクトルを取原子核の様子を調べるための貴重な観測対象とる。ビートはシグナルコムが得た吸収特性を含んなる。

だものであり、そのまま検出器に挿入して分光測	  周波数安定化や高精度信号伝送などの研究を定の結果として用いる。つまり、二台のコムのビ実施してきた我々は、絶対周波数が確定した光コートを取ることで、光領域の測定結果を低周波数ムの特性に着目し、周波数基準の開発研究を行っ領域に圧縮表示させたものと理解できる。これにてきた。とくに、長距離ファイバー伝送や長期安よって、測定結果からの周波数情報の取得が容易

定動作に優れている光ファイバーを使用して、フになり、ワンショットでの高確度、高分解能のコ}A\ァイバーコムの開発を進めている。ファイバーコ

ム分光が可能となる。
このとき、吸収特性は一台
° ¢³µ° ムを周波数基準として、精密分光システムを構築のコムによって取得しているため、デュアルコム
|&oS,
全モードが確定された光源|&oS,する。しかし、安定な赤外光源を直接作製するこ|&+(
光領域を中心とした超短パルス
frep に依存する。 |&+(分光の測定分解能は{& f 3/ THzスペクトルの測定は困難|& f 3/とは困難であるため、本研究ではその準備として|&ogH"

周波数掃引等は不要|&ogH"THz
THz領域からRF領域へ落としこむ

近赤外光源の開発を試みる。すなわち、光周波数
Local&°

コムを利用した近赤外分光システムの構築が本N2

RFº £RF­¥

研究の目的である。光コムの共振器は、産業技術総合研究所で開発された 1.5 μm 帯のファイバー型光コムを参考にして構築する。対象分子はSignal&°u

図１：デュアルコム分光の概念図

CO2、HCN、C２H２等があるが、1.55μm 付近に吸収線が集中する HCN を選択した。	  また、デュアルコム分光のダイナミックレンジはビート発生の重なりによって限定されるため、式(1)で定義できる。

2f rep	 
fdyn =
2Δf	 …（1）	 

そのため、ダイナミックレンジを拡大するために、Δf ができるだけ小さい二台のコムの開発が要求される。	 

gºüćì'ZĂćáćº$z

3. ファイバーコムの開発
WDM:!wavelength!division!mul[plexing!!PSI:!polarized!sensi[ve!isolator!!EDF:!erbium!doped!ﬁber!
3.1 二 台 の モ ー ド 同 期 レ ー ザ ー の 開 発

図３：固定コムのパルス波形

976!nm!Pump!LDPSI
O.C.

WDM
PZT!
EDF

λλ
2 4 P

Output!
Power

図２：固定コムの共振器
C2ñĄć©5mWgºüćì'ZĂćáćº$z
18!ns!(!f=!54.4!MHz)
rep
図４：固定コムのスペクトル図
ダイナミックレンジを任意で設定するために、共±®©µ´
振器長が固定された固定コムと共振器長を任意
976!nm!Pump!LD

delay!line!

調節できる可変コムをそれぞれ製作した。

[ÝöPSI 全	  ファイバーコムの共振器構造を図２に示す。

d

ファイバーで構築されたリング型共振器
WDM

O.C.

EDF(Erbium doped fiber)を利得媒質としておλλ

W9

P
PZT!
24EDF Diode)で EDFOutput!
り、中心波長 976 nm の LD(Laser

Power

をコア励起し、中心波長 1550 nm で発振させてC2ñĄć©±mW

いる。さらに、EDF は円筒型 PZT 素子に強く巻

図５：delay line の写真ä÷Þëā/
18!ns!!(!f=!54.4!MHz)
rep	  可変コムも固定コムと同じ共振器構造である。
で共振器長を変えて、 f を制御する。偏光子、き付けられており、PZT 素子を伸縮させることñāäeH
rep

1/2 波長版、1/4 波長版の角度を調節することにしかし、共振器長を大きく且つ細かく調節する機

よって非線形偏波回転モード同期発振させてい構を取り入れるために、自由空間光学系を設けてる。固定コムをモード同期発振させた際の平均パいる。この自由空間光学系は固定コムで利用してワーはおよそ 7 mW で、スペクトルの半値全幅いる偏光調節器に delay line を追加した機器では 74 nm、パルス間隔は 18 ns であった。

ある。図５にその実際の写真を示す。delay line°³©µ´

は 10 μm の精度で最大 10 cm 調節できるため、ñāäeHä÷Þëāgºüćì'ZĂćáćº$z
976!nm!Pump!LD

delay!line!3©üãýćā!
[ÝöëÞÜäë~]

PSI

fWDM
O.C. 100 Hz で最大 1 MHz 調節が可能
rep は分解能

frep の同期は 1 時間半以上の連続動作し。また、delay!line
frepPline は自由空間光学系でPZT!である。ただし、delay24
Output!
EDF

W9
10!cm
1!MHz
安定度は基準信号と同等値まで達しており、積分

λλ100!Hz-12 であった。これらは今後分光時間
100 秒で 1010!μm

Power
あるため、共振器のパワー損失がおよそ10 ％存ÚÀÃÖêÇÞ¢./0"'ZĂćáćº$z
C2ñĄć©±mW
在する。

18!ns!!(!frep=!54.4!MHz)

Synthesizer
976!nm!
Pump!LD[ÝöëÞÜäë~]

°³©µ´
LD!current!driver

delay!line!3©üãýćā!

delay!line

frep

W9

10!cm

1!MHz

10!μm

100!HzServoPSI

WDM

PZT!EDFPCEDFA WDM HNLF

PFD

λ λ
4 2BPF

O.C.
λλP
2 4PIIPZT!driver

3dB!C.

PD

Servo

3dB!C.

L

1480!nm!
Pump!LDL

PPLN LPD

Fiber!comb!Output
Frequency!
Counter

PFD

Synthesizer

図８：ファイバーコムの光学系と電気系の全体図

ñāäeH
図６：可変コムのパルス波形

4.4!MHz)

H

測定に運用する上で支障はないと考えられる。

ä÷Þëā/««°³©µ´

ä÷Þëā/

図７：可変コムのスペクトル図««

図９：固定コムのアラン分散

3.2 frep の 周 波 数 安 定 化	  frep はファイバーから出射した光を PD(Photodetector)で受光して、モード間のビート信号として frep を直接検出する。高安定なマイクロ波基準を用意し、 frep との周波数差信号を共振器に巻き付けた PZT 素子にフィードバックすることで、frep と基準信号を一致させる。また、外乱抑制のために断熱ボックスを設置して、長期安定動作のために共振器を強固に固定した。その結果、位相図 10：可変コムのアラン分散3.3 fceo の 検 出	  次に１オクターブ光を利用した fceo 検出を試み た 。 fceo 信 号 は １ オ ク タ ー ブ 広 が っ た	  fceo は直接検出できないため、検出のための光

fundamental とその SHG のビートを受光する学系を別途用意する。用いた検出手法は自己参照ことで検出する。ファイバーより出射した法である。まず、検出用に利用する光は EDFA

fundamental を 1/2 波長板、1/4 波長板に入射し、でパワーを増幅し、HNLF（高非線形性分散シフPPLN 結晶に入射する。二枚の波長板による偏トファイバー＠住友電気工業）で超広帯域光を発光制御は、PPLN 結晶が直線偏光に対してのみ生させる。発振スペクトルが１オクターブ以上広反応するためである。なお、SHG の発生効率はげられた光はファイバーから自由空間に射出さ約 30%以下である。

れ、バルク型の PPLN 結晶に照射して SHG を	  最初に、PPLN の前に Longpass Filter を配置発生させる。また、HNLF はコア中に添加されすることで fundamental の低波長成分を排除し、ているゲルマニウムを増やすことで、通常のファSHG のみのスペクトル波形を得た。図 12 に示

イバーよりも光のコア閉じ込め率を強くしてい

す通り、1050 nm で SHG と fundamental のがる。さらに、導波路構造を変化させることでゼロ重なっていることが確認できる。ビート検出の分散をシフトさせている。スペクトル幅の広帯域SN 比は干渉させる二つの光のパワーに依る。つ化を引き起こしている誘導ラマン散乱や四波混まり、 検出のために fundamental と SHG の双合が特に偏光依存性を有するため、EDFA の前方の十分な SN が必要である。しかし、HNLFに配置している PC を操作して偏光を調節する。

による超広帯域光のスペクトル波形は日々異なPC はファイバー軸に対して垂直に応力を与え、るため、この一連の光学系はコムを起動させる度ねじる機構を有する。これは波長板や偏波保持フにアラインメントする必要がある。今回は、SHGァイバーと同様の原理で、敢えて応力を与えたフの SN 比が比較的高かった 1050 nm の波長域でァイバーをねじることで、波長板による偏光制御実施した。検出した fceo ビート信号を図 12、13と同じ効果を得ている。に示す。幾つかのピークが確認できるが、励起光の出力変動に連動して信号が周波数シフトする

10ことで、 fceo 信号を識別できる。

0-30

fundamental-40-20

power [dBm]power[dB]-10-30-40-50
1000-50-60SHG-70-80

1200

1400

1600

1800

2000

2200

wavelength[nm]-901000

図 11：広帯域化されたスペクトル図

1020

1040

1060

1080

1100

wavelength [nm]図 12：fundamental と SHG のスペクトル図4. デュアルコム分光の準備
4.1 ECLD を 用 い た H CN 分 光	  測定対象の HCN の吸収特性を調べるために、ECLD（外部共振器型半導体レーザー）を利用して HCN の線形吸収を測定した。その実験系を図15 に示す。この ECLD はデュアルコム分光の際HCNÍ)!mKÍ にアラインメントに利用するものであるため、ファイバーコムと同様の 1.5μm 帯の光源になる。

ECLDÍ*eROGÌÓÔHCNÍ H

共振器に取り付けられた PZT 素子を制御するこ
図 13： frep と fceo のビート信号

William!C.!Swann!aとで、ECLD の周波数を掃引する。図 16 がその結果をまとめたものである。この結果を参考文献
図 13 の結果に対して、電気的に信号向上の措置を施した結果を図に示す。ノイズフロアから数え1.5μmA!CWĂćáć!
*eROGB!8GHz!
P3-barnchまで同定できた。

[3] の吸収線と照合したところ、R4-branchからておよそ 30dB のビート信号を検出できた。これを満たすものである。一方、高 SN 信号検出の再現性は低い（翌日に実験を行っても高 SN 検出できない。など）ため、長時間の位相同期に利用す

Oscilloscopeλ2は位相同期に利用する信号としては、SN の要求
ECLD

PD

PZT!driverPBS

ることは困難である。今後は、この ビート信号
PDHCNÍ)!mKÍ を安定して 30 dB 以上検出できるように、光学系や電気系を改善することが必須となってくる。

HCN!reference!cellWavemeterECLDÍ*eROGÌÓÔHCNÍ H)!×f;!
図 15：ECLD による HCN 分光の全体光学系
William!C.!Swann!and!Sarah!L.!Gilbert,!J.!Opt.!Soc.!Am.!B!22,!1749,!(2005).

R4
1.5μmA!CWĂćáć!
*eROGB!8GHz!
λ2

Oscilloscope

ECLDPZT!driver

R3
R2
R1
P2

PD

P3

R0

PBS

図 14：高 SN での fceo 信号の検出
PD

HCN!reference!cell

Wavemeter

図 16：分光により得た HCN の吸収線^ÂÆ)! ¬ª

4.2 デ ュ ア ル コ ム 分 光 光 学 系

用する。このときの波長選択のアラインメントに	  式(1)に示したように、デュアルコム分光のダは、同軸で出射させた CW レーザーをガイド光

イナミックレンジは二台のコムの繰り返し周波として利用する。これは 4.1 節の HCN 分光で利数差Δf に依存する。しかし、ビート発生はノイ用した ECLD である。また、分光のダイナミッズに埋もれやすいため、実際にはダイナミックレクレンジを広げるために、コムはそれぞれ EDFA

ンジ丁度の本数のデュアルコムビートは検出さで光増幅させる。

れない。したがって、デュアルコムビートの検出SN を高める措置が必要になってくる。式(1)に示

5. 結論と展望す要素以外でビート検出に影響を及ぼすのは、そ	  今回の研究で、二台のファイバーコムを製作し、れぞれのコムの線幅、SN、ビートの重ね合わせデュアルコム分光の測定準備を実施した。ファイなどが挙げられる。コムの線幅は共振器の安定化

バーコムの製作においては、二台の共振器の開発、機構に依るものであり、共振器の強固な外乱抑制

frep の長時間位相同期、 fceo の検出を達成した。

（温度調節、振動抑制など）や超高安定な周波数

分光測定の準備においては、使用する測定対象の基準への位相同期などが考えられる。一方で、そ吸収特性の確認やデュアルコム光学系の構築準れぞれのコムの SN の向上と、ダイナミックレン備を進めた。

ジ域外の信号を除去することは、ファイバーコム	  今後取り組むべき課題は、 fceo の検出と安定化共振器の出力後に小規模な光学系を用意するこの機構を完成させ、二台のコムを絶対周波数基準とで実施できる。以上を踏まえ、構築予定であるとして利用できるようにする。また、研究室で別デュアルコム分光の光学系を図 17 に示す。

途開発中である超狭線幅光源に frep を位相同期することで、ダイナミックレンジ拡大を図っていく。 frep と fceo の周波数安定化を一通り終えた時点で、デュアルコム分光の実施に取りかかっていく。

参考文献
図 17：デュアルコム分光の光学系概要[1] Y. Nakajima, et.all, Opt. Comm. 281, 4484, (2008).
[2] W. C. Swann and S. L. Gilbert, J. Opt. Soc. Am. B	  光コムは広帯域にわたって発振スペクトルを

19, 2461, (2002).

有するため、縦モード一本あたりのパワーは非常[3] William C. Swann and Sarah L. Gilbert, J. Opt. Soc.に低い。そのため十分に高いパワーを要求する飽

Am. B 22, 1749, (2005).

和吸収分光は厳しいため線形吸収による分光を[4] C. Latrasse, et.all Opt. Lett. 15, 1885, (1994).

実施する。二つのデュアルコムビート信号を用意[5] 北 村 俊 幸 , 平 成 23 年 度 修 士 論 文 ,電 気 通 信 大 学 ,し、Reference と吸収プロファイルを取得した(2012).

Signal の差を分光結果とする。観測帯域の光の[6] 長久敦史, 平成 24 年度修士論文, 電気通信大学,

みを取り出すために、回折格子とピンホールを利(2013).