光コムのための figure-8 レーザーの繰り返し周波数制御
武者研究室

齋藤 瞭太

ロック手法として扱いやすいものである。光コム

1 研究背景を広帯域の光周波数基準として用いるには、光コレーザーが開発されて以来、様々な面で多くの工ムの縦モードのオフセット周波数 (Cerrier Oﬀset

夫や改良が加えられながら、光技術に関する分野はEnvelop,fceo ) および繰り返し周波数 (frep ) が安定進歩してきた。現在では、光格子時計や精密分光とであることが求められる。オフセット周波数も繰りいった科学分野だけではなく、光通信やライフサイ返し周波数も、基準からのずれを電気的にフィードエンスなどでもレーザーが用いられ、人間には必バックすることによって安定化を実現することがで要不可欠な技術になりつつある。本研究室では、主きる。本研究では、ピエゾ素子をアクチュエータとに、レーザーの周波数安定化ということを軸に、そした高速制御とペルチェ素子を用いた温度コントの関連技術も含めた研究を行なっている。レーザー

ローラによる低速制御の同時動作を用いて、本研究自体、他のインコヒーレント光源に比べれば制御も室において開発中である光コムの繰り返し周波数制しやすく、安定度の高いものであるが、精密なもの御システムの開発とその安定度の評価を行う。

を要するような分野においては、適切な制御が行わ

2 光周波数コムれていないレーザー光源は、安定的なものであるとは言い難い。広帯域にわたる周波数の基準として

光周波数コム（光コム）とは、John L. Hall 博士と様々な分野に用いられ始めているのが、光周波数コ

Theodor W. Hansch 博士らによって開発された、ムである。光コムは、光のものさしという呼ばれ方

周波数軸上に縦モードが等間隔に並び、櫛 (comb)をすることから分かるように、安定して、容易にはのようなスペクトル形状を持つレーザーのことであ変化しないような基準であることを求められる。現る。光周波数コムは光のものさしとして周波数基準

在、本研究室では外乱に強い宇宙用光コムの開発をに用いられるだけではなく、距離計測、天体観測、行っている。光コムの元となるモードロックレー

形状検査、分光など、様々な科学・産業分野に用いザーは光ファイバーを用いて共振器を構成するファられ始めている。当研究室では宇宙空間で周波数基イバーレーザーの一種であるが、光路が固体中の導準として用いることを目的とした光コムの開発を行波路であるため、宇宙空間のような真空中であっなっている。図 1 に光コムの周波数軸上における縦ても、温度による共振器長の変動を受けやすく、実モードの様子の模式図を示す。光コムでは、周波数際に運用するためには適切な対策を行わなければの低い側に縦モードを延長していき、原点周辺におならない。開発中の光コムは偏波保持ファイバーける仮想的な縦モードの周波数を carrier-envelope(Polarization Maintaining Fiber,PM ファイバー）oﬀset 周波数 (fceo ) と呼ぶ。また、光コムにおけるを用いて作られた非線形ファイバー増幅ミラーを構

縦モード間隔はパルスの繰り返し周波数 frep に等成することによって、モードロックを行い、超短パしい。光コムにおいて n 番目の縦モードの光の周ルスを生成している。偏波保持ファイバーは外乱に波数は次式で表される。

対する強みを持ち、非線形ファイバーループミラー
は共振器をオールファイバー化した場合のモード

fn = fceo + nfrep1(1)この式は、fceo と frep を制御することで、広帯域ジではあるものの高速応答性が利用できるというこ周波数基準を作り出せるということを意味していとで、小型の PZT を採用した。そして、大きなダる。光コムを用いて任意の光源の周波数を評価するイナミックレンジを持つ制御を実現するために、温場合、光コムの出力と対象となる光源の出力を同時度コントローラーを併用した。温度コントローラはに光検出器（Photo Detector）に入れることによっ応答性という意味では小型 PZT には及ばないが大て実現する。光検出器では二乗検波を行なっておきなダイナミックレンジを有するため、本研究ではり、出力情報は二つの光源の光の周波数差（ビート高速な制御を小型 PZT によって行い、低速な制御信号）となる。このビート信号と、オフセット周波を TEC によって実現した。

数および縦モードの次数を決定することによって、3.2未知の被測定レーザーの周波数を決定することがで

光基準を用いた制御

本研究では、研究室において開発中の波長 1030きる。

nm のヨウ素安定化レーザーとのビート信号を用いたフィードバック制御の実現を最終的な目標とした。まず、1550 nm 中心のスペクトルを 1030 nm付近まで広帯域化させるために、ファイバー増幅器を作製した。作製したエルビウム添加型ファイバー
図1

増幅器 (EDFA) の増幅特性を図 2 に示す。EDFA

光コムの縦モードの模式図では最大で約 70 mW の出力を得ることができた。

3 繰り返し周波数制御
3.1

frep 制御の手法

パルスレーザーにおける繰り返し周波数は、共振器の光路長に依存し、本研究で用いたようなファイバーで構成した共振器の場合には、固体である光ファイバーの熱による内部屈折率の変化および共振器の物理長の変化が繰り返し周波数に大きく寄与する。そのため、外乱の影響を受けにくい光コムを開発するにあたっては、繰り返し周波数の制御を行うことが必須要件となる。本研究では、繰り返し周波数の制御に小型のピエゾ素子 (PZT) および温度コントローラー (TEC) を用いることとした。PZT
図 2 EDFA の増幅特性は、印加電圧に応じて力を生じさせる圧電素子で、実用的には、印加電圧に応じるそのサイズの変動を利用する。PZT は制御帯域が広く、高速応答を行増幅後の光を高非線形ファイバー中を伝搬させ、うことができる。また、機械的駆動部が無いため、スペクトルを広帯域化させることによって得たスペ使用による劣化が無いアクチュエータとして、宇宙クトルを図 3 に示す。図より、目的としていた 1030での用途を検討する光コムにおいては適したものとnm 近辺までのスペクトル広がりを得られているこ言える。一方で、大型の PZT を用いた場合には、とが確認できる。実際に、制御に必要な帯域までの低周波域に共振点を持ち、制御帯域的性能が悪くスペクトル広がりが得られたため、実際に 1030 nmなってしまうため、本研究では小ダイナミックレンの CW レーザーとのビート信号の取得を行った。

2

なお、今回の実験においては、CW 光源にヨウ素安定化レーザーではなく Fiber DFB レーザーを用いた。結果として、制御に対して適当とされる SN 比30 dB には至らず、15 dB ほどの SN 比しか得ることができなかった。これは、スペクトル拡大によって得た SC 光のパワーが弱かったことが原因と考え
図4られる。今後の改善方法としては、ファイバー増幅マイクロ波基準を用いた制御系の概略図器の特性改善などが挙げられる。

3.3.1

ペルチェ素子による制御

実際に作製したペルチェ素子を用いた温度コントローラの概略図を図 5 に示す。ペルチェ素子の冷却面には縦横約 10 cm の銅版が貼り付けてあり、その銅板の上に光ファイバーが載った構造をしている。
銅板上には直径約 7 cm の円状に 3 回ほど巻いた長さのファイバーが載っている。フィードバック制御を行うにあたっては、サーボ回路を作製した。作製したサーボ回路の回路図を図 6 に示す。サーボ回路には比例・積分・微分の各要素が実装されている。
構築した制御系によって実際に制御を行った結果を
図3

図 7 に示す。図より、繰り返し周波数のドリフトが取得したビート信号の RF スペクトル抑制できていることが分かる。ペルチェ素子による制御の結果には振動が残っているが、これは温度制御の応答性の遅さによって生じているものであると考えられる。しかし、振動の振幅も数 Hz 程度であ3.3り、この振動はピエゾ素子での制御により抑制できマイクロ波基準を用いた制御ると判断した。

光基準を用いた制御は、ビート信号の SN 比が不十分であり、改善が必要であるという結果となったが、同時に作製していたアクチュエータの性能評価を行うために、二つのアクチュエータを用いてマイクロ波基準を用いた制御を行った結果に関して報告する。先述した通り、アクチュエータにはペルチェ素子とピエゾ素子を併用しており、これはそれぞれのアクチュエータの持つ特性の欠陥部分を補うためのものである。マイクロ波基準を用いた制御系の概略図を図 4 に示す。以下ではそれぞれのアクチュ

図5エータに対して個別の評価を行う。

3作製した温度コントローラの概略図

バーに対して変位が上手く伝達しなかったためであると考えられる。今後は、素子へのファイバーの接着方法の改善等の検討を行う必要がある。

図 6 作製したサーボ回路の回路図

図8

ピエゾ素子による周波数変動

4 結論
本研究においては光基準を用いた繰り返し周波数
図7制御を行うことを最終的な目標としていたが、現状温度制御時の周波数変動量の実験系においては制御をするのに適したビート信号の SN 比 30 dB を得ることができなかった。こ

3.3.2 ピエゾ素子の性能試算

れについては、ファイバー増幅器の特性改善などに使用するピエゾ素子の変位量が実際の周波数変動よって SN 比も改善できると考えている。アクチュにどれほど寄与するのかについての試算を行った。

エータの評価に関しては、ペルチェ素子を用いた温用いたピエゾ素子は最大変位量が 4.6 µm のもので度制御においては、繰り返し周波数のドリフトを抑あるが、安全に使用できる範囲では 2.4 µm ほどの制することができ、期待していたような性能を得る変動量が得られると期待される。この変位量に対応ことができた。一方で、ピエゾ素子を用いた制御にする周波数変動量は 24 Hz である。これは、先述

おいては、試算された繰り返し周波数変動量の 1/20の温度制御による振動を抑制するのには十分な値で程度の性能しか得られなかった。これは、ピエゾ素ある。そこで、実際にピエゾ素子を系に組み込んで子表面に被膜があり、それによって素子の変位が直周波数の変動量の測定を行った。その結果を 8 に示接的にファイバーに伝達しなかったことが原因です。測定ではピエゾ素子にオフセットの DC50 Vあると考えられる。今後は、ピエゾ素子へのファイを印加し、加えて振幅 40 V の sin 波を印加し測定バーの接着方法等を改良することによって性能が改を行った。理想的にはこの場合に 24Hz の変動が得善できると考えている。

られるはずであるが、実際には 0.9 Hz の変動しか得ることができなかった。これは、ピエゾ素子表面の皮膜に素子の変位が吸収されることで、光ファイ4