ファイバー光周波数コムの製作
植田研究室 北村俊幸
1. 序論
2000 年頃、初めて Ti:Sapphire レーザーとフォトニック結晶ファイバを組み合わせた自己参照法による絶対周波数決定が可能になった。このことにより、光周波数コムは精密な周波数の測定を MHｚから THｚに拡張することができた。
ただ、Ti:Sapphire レーザーは装置が大きく、保守点検が難しく、更に長期運転が難しいという特徴があった。そこで我々は装置がコンパクトでメンテナンスフリー、長期安定な、オールファイバーの周波数コムを作成することを目的とし、製作を行った。

2. 原理
モード同期されたレーザーから出た光を周波数軸上で見ると、等間隔に並んだ縦モードが観測される。この並んだ縦モードが櫛のように見えることから、光周波数コムと呼ばれる。
縦モード間隔を frep とし、周波数軸上で仮想的に縦モードを０に近づけて行くと、縦モードは０と重ならない。この余りの周波数はキャリアエンベロップオフセット周波数と呼ばれ、fceo で表される。その際、ｎ番目の縦モードの周波数はｆｎ=ｆceo + n･frep で表され、frep とfceo を周波数基準等に同期させると、ｆｎを決定することができる。
仮想的な縦モード

実際の縦モード0

Frequency [Hz]ｆceoｆrep
fn = ｆceo + n･ｆrep (n = 0,1,2…)

図 １ 光周波数コムの概念図

ここで、縦モード間隔 frep はビート信号として容易に観測可能であるが、キャリアエンベロップオフセット周波数 fceo は通常、観測出来ない。そこで、fceo 観測のために自己参照法という方法が考え出された。

3. 自己参照法
非線形効果が起こるに十分なパワーの光を高非線形ファイバに入射すると、スペクトルが拡大する。その際、スペクトルを１オクターブ以上広げ、長波長側の第二高調波を発生させると、基本波と第二高調波が重なる部分が出てくる。基本波と第二高調波が重なった部分のビート信号は fbeat = 2･(ｆceo + n･frep) – (ｆceo + n･frep) =ｆceo + (2n ‑ n)･frep で表される。ここで、frep が０になる信号を観測すれば、ｆceo が求められる。

基本波（１オクターブ以上広がったスペクトルを持つ）
第二高調波

frequency

fbeat = (2ｆceo + n’･ｆrep) - ｆceo + n･ｆrep= ｆceo + (n’ - n)･ｆrep
図 2 自己参照法の概念図

4. 実験
図３に実験図を示す。Er３＋添加ファイバを用いたモード同期レーザーを製作後、Er３＋添加ファイバを用いた増幅器の製作、高非線形ファイバを用いたスペクトルの拡大、最語に自己参照法を用いた fceo の観測を行った。以下、順に説明をする。
976nmLD

PPLN：10ｍm
2060nm→1030nm3dB
coupler
EDF:4mPD
oscilloscope

HNLF：60cｍ

1480nmLD

EDF:1m
図 3 実験図

4-1.Er３＋添加ファイバを用いたモード同期レーザーの製作
最初に非線形偏光ファイバを用いたモード同期レーザーを作成した。装置図は図４に示す。
波長 976nm の LD で励起されたエルビウムファイバは中心波長 1.5μm の光を発生させる。
発生した光はリング型共振器内を片方向に回転し、Output coupler からパワーの 10%が取り出される。リング型共振器内ではアイソレーター内の偏光板が、通過した光の偏光状態を直線偏光に変える。共振器を構成するファイバは非偏波保持ファイバなので、共振器内を移動するにつれ、そのパワーに応じて偏光が回転する。その際、共振器の下部に置いた偏光板を調整し、強度の大きい光のみを取り出し、強度の弱い光をシャットダウンする。
つまり、共振器内で強度依存の損失変調を起こすことにより、モード同期が達成される。

976nmLD

Oscillator length : 3.65m
PSI(Polarization Sensitive isolator)

励起光

WDMCoupler

Output Coupler(980nm-1550nm)(10%)

OSA3dBCoupler

Erbium Doped
Fiber : 1mPII(Polarization Insensitive Isolator)

λ/2 wave plate

Polarization plate

Oscilloscope

λ/4 wave plate

図 4 ファイバーモード同期レーザー結果は図５、図６。図７に示す。スペクトルの半値全幅 17.5nm、フーリエ限界パルス幅が 464fs の超短パルスが発生し、パルス間隔は 54.7MHz であった。また、frep のビート信号も観測された。
1-100.8-20-10-30-30-40-50-60

Intensity [dBm]

0.6
Intesity[V]Intesity [dBm]

-20

0.4
0.20-90
1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700

-50-60-70-80-40-70-0.2 -7-8-8-8-8-1 10 -8 10 -6 10 -4 10 -2 10Wavelength [nm]-80075.1 1075.2 10

75.4 105.5 1075.6 107

図 6 モード同期レーザーのパルス波形ｆ

図 7 モード同期レーザーから出た repのビート信号

4-2.Er３＋添加ファイバを用いた増幅器の製作
モード同期レーザーから出た光は、非線形効果を用いたスペクトルの拡大に十分なパワーを持っていない。よって、レーザーから出てきた後に増幅を行う。
図 8 に装置図を示す。出てきた光は増幅され、最大でアベレージパワーは３５ｍW を達成した。これは非線形効果を用いたスペクトルの拡大に十分なパワーを持つ。
1480nmLD

Erbium Doped Fiber : 4m
図 ８ 増幅器の装置図

75.7 10

freqency [Hz]time[s]

図 5 モード同期レーザーのスペクトル75.3 10

WDM Coupler(1480nm-1550nm)

4-3.高非線形ファイバを用いたスペクトルの拡大増幅器から出てきた光を高非線形ファイバに入射すると、４つの非線形効果（自己位相変調、交差位相変調、誘導ラマン散乱、四光波混合）により、スペクトルが拡大する。その際、十分にパワーが強ければスペクトルが１オクターブ拡大する。
今回、実験では２種類の高非線形ファイバを用いた。それぞれ、ゼロ分散波長が 1450nmと 1549nm である。
結果は図９、図１０に示した。どちらも 1 オクターブ以上スペクトルが広がった。今回の実験では第二高調波を発生させる２μｍ付近の光と基本波１μｍ付近の光の強度が高い方がよいので、ゼロ分散波長を 1450nm にシフトした高非線形ファイバを使用した。

-10oscillator
HNLF-0d1549-20-20-30-30
Intensity [dBm]

Intensity [dBm]-10-40-50-60-40-50-60-70-70-80-80-90
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200-90

wavelength [nm]図 9 ゼロ分散波長1549nmのスペクトル

oscillator
HNLF-0d1450

1000

1500

2000

wavelength [nm]図 10 ゼロ分散波長1450nmのスペクトル4-4.自己参照法を用いた fceo の観測
スペクトルが 1 オクターブ以上拡大した光を第二高調波を発生させる非線形光学結晶に入射し、fceo の観測をおこなった。実験系は図１１、結果は図１２に示した。
PPLN：10ｍm
2060nm→1030nm
RF spectrum
analyzer

Collimator lensLens : f = 75mm

Lens : f = 50mm
図 11 非線形光学結晶に入射時の実験系

5. まとめ
高非線形ファイバによるスペクトルの１オクターブ以上の-70拡大と、自己参照法によるキャリアエンベロップオフセット他の周波数基準に同期することができない。そこで、今後はS/N を 30dB 以上にし、他の周波数基準に同期させ、精密な周波数測定を可能にすることを目標とする。

-75
Intensity [dBm]

周波数の観測に成功した。ただし、S/N が悪いので、ｆceo を-80-85-90
71.5 1072 1072.5 10

freqency [Hz]

図 12

73 10

ｆceoのビート信号

73.5 10