堅牢な光周波数コムのための全偏波保持 figure-8 モード同期レーザーの開発
武者研究室 栗原 ⼤周

1. 研究背景・⽬的

振器を全て外乱に強い偏波保持ファイバーで現在準天頂衛星による次世代測位システム構成することが可能である。そこで本研究での打ち上げ計画が進められている。測位シス

は、光周波数コムの光源として NALM を採テムの⾼精度化の⼀つとして、⾼精度マイク⽤し開発を⾏った。

ロ波基準が重要な要素となる。この⾼精度マイクロ波基準として⽤いられる装置の⼀つと2. 光周波数コム

して、光周波数コムがある。光周波数コムと光周波数コムは、周波数軸上に櫛のようには、周波数軸上に等間隔に縦モードが並んだ等間隔に縦モードが並んだコヒーレントなレコヒーレントな光であり、その特徴から「光ーザーである。光周波数コムの 𝑛 番⽬の縦のものさし」とよばれる。光周波数コムは周モード周波数 𝑓! は、繰り返し周波数 𝑓"#$ と波数コンバーターとして利⽤することがで周波数軸上で原点に最も近い仮想的な０番⽬

き、光領域のもつ⾼い周波数安定度を光周波のモードの周波数であるキャリアエンベロー数コムの縦モード間をビートとして検出する

プオフセット周波数 𝑓%#& とを⽤いて次式のよことによりマイクロ波に移譲させることで、うに表される。

より安定なマイクロ波基準をつくることがで

𝑓! = 𝑓%#& + 𝑛 ∙ 𝑓"#$(1)

きる。光周波数コムを⼈⼯衛星に搭載するには、堅牢性、⻑期安定動作、耐宇宙環境性が要求される。本研究では、特に堅牢性に注⽬し⼈⼯衛星に搭載可能な光周波数コムの開発を⾏った。光周波数コムはモードロックレーザーという超短パルスを出⼒するレーザーを図１ 光周波数コムの概念図制御することで得られ、その光源として広く⽤いられるモードロックレーザーの⽅式とし３．figure-8 の開発て⾮線形偏波回転(NPR)がある。⾮線形偏波

図２のような構成の figure-8 を作成した。

回転は⾼出⼒化、短パルス化、低雑⾳性に優EDF(PM-ESF-7/125) は吸収量が 1530 nmれているが、偏光を利⽤した機構のため温度帯で 55 dB/m であり、1.46 m 使⽤した。共変化や振動等の環境変動に敏感であり、⼈⼯振器⻑は約 4.53 m であり、全て PMF を使⽤衛星に搭載しての利⽤に適していない。対しした。また、EDF を含めてファイバーは全てて、⾮線形ファイバーループミラー(NALM)異常分散であり、全分散量は約 −0.123 ps' でと呼ばれる⽅式は偏光を利⽤しないため、共ある。励起⽤ LD は中⼼波⻑が 976 nm で、

励起電流 900 mA で 500m mW の出⼒パワーを確認したものを使⽤した。

繰り返し周波数は 34 MHz、スペクトルの半値全幅は 5.53 nm だった。作成した figure8 は全分散量が異常分散の⼤きい構成となっており、ソリトンモードロックレーザーとして働く。そのために繰り返し周波数は⼩さい値となったと考えられる。ソリトンモードロックとして働いていることは、図４(b)にソリトンモードロックの特徴であるケリーサイドバンドが⽴っていることからも確認できる。

図３ figure-8 の概略図作成した figure-8 は、励起パワーを徐々に⼤きくしていったとき、励起パワーが 224

励起パワーを最適化したときに得られたモmW となった時点で外部から摂動を与えるこード同期のスペクトルと時間波形は図４のよとなくモードロックが働いたことが確認できうになった。

た。figure-8 は⼀般にセルフスタートが困難とされ、シードパルスとなる何らかの摂動が必要とされる。そのため、電気光学変調⼦による強度変調を与えるなどの外部から摂動を与える⼿法が⼀般にとられるが、今回作成した figure-8 はその必要がない。セルフスター
トの実現の要因のひとつとして、今回使⽤した EDF の吸収量が 55 dB/m と⼤きいために過飽和吸収機構のような働きをした可能性が考えられる。

４．EDFA の作成
f-2f ⼲渉計により 𝑓%#& を検出するためには、1 オクターブ以上の広がりを持つスーパーコンティニューム(SC)光を得る必要がある。そのために⾼⾮線形ファイバー (HNLF)によりスペクトルの拡⼤を⾏うが、HNLF での⾮線形光学効果を強く得られるようにエルビウ
ム添加光ファイバー増幅器(EDFA)によって
図４ figure-8 の時間波形およびスペクトル光パワーの増幅を⾏った。作成した EDFA の構成を図５に⽰す。

図５ EDFA の概略図
図７ 増幅後の⾃⼰相関波形⽤いた EDF(ER30-4/125)は吸収量が 1550
nm 帯で 30dB/m、分散量が 14.5 ps' /km 、使⽤した⻑さは 3.96 m である。EDF の前に融着された SMF はプリチャープ、及び分散補償⽤として融着した。共振器から出⼒されたパルスがカプラーを通してピークパワーが下がった状態で SMF を伝搬することで、⾃⼰位相変調の効果が⼩さくなり、パルス幅は広くなる。パルスがピークパワーの⼩さい状態で EDF に⼊射されることで EDFA での利得(a) 増幅後のスペクトル(縦軸線形)の飽和を防ぐ⽬的がある。EDFA の増幅特性を図６に⽰す。

(b) 増幅後のスペクトル(縦軸 Log)

図８ 増幅後の⾃⼰相関波形及びスペクトル
図６ EDFA の出⼒特性
パルス波形を sech' 型としてフィッティン増幅後の出⼒パワーが 70 mW のときの⾃⼰グを⾏なったところ、パルス幅は 97.5 fs だっ相関波形及びスペクトルを図７、８に⽰すた。図から⾃⼰相関波形及びスペクトルに構造が⽣じてしまっていることが確認できるが、５．まとめと展望作成した EDFA は SMF が⻑く、全体として堅牢な光周波数コムの開発のために、全て異常分散に偏っているためにパルスの分裂がPMF で構成された異常分散 figure-8 モード⽣じている可能性が考えられる。そのためロックレーザーを開発した。ソリトンモード

EDFA の分散補償をすることで改善が期待さロックが正常に働くことを確認し、励起パワれる。図８(a)からよく分かるように、スペクーを最適化したときの繰り返し周波数は 34トルの構造のために半値全幅を求めてフーリMHz、スペクトルの半値全幅は 5.53 nm だっ

エ変換限界パルス幅を算出しての評価ができた。また、この figure-8 はセルフスタートをなかったが、出⼒パワーが最⼤で 100 mW あすることを確認した。このセルフスタートのること、及びパルス幅 97.5 fs であることから条件解明が今後の課題となる。さらに、１オ20 kW 以上のピークパワーがあると計算され、クターブ以上の広帯域な SC 光取得のためにHNLF でのスペクトル拡⼤を⼗分に期待できEDFA の作成を⾏なった。増幅後の出⼒パワると考えた。実際に HNLF によるスペクトルーは最⼤で 100 mW、励起パワーが 70 mW のの拡⼤を⾏なった際のスペクトルを図９に⽰ときのパルス幅は 97.5 fs だった。増幅後の⾃す。

⼰相関波形及びスペクトルには構造が確認され、EDFA の分散補償を⾏うことにより改善が期待される。HNLF によりスペクトルの拡⼤を⾏なったところ、1030 nm から 2060 nmまでの１オクターブ以上の広がりを確認できた。今後は f-2f ⼲渉計を⽤いて 𝑓%#& の検出を⾏う。また、⻑期動作安定性及び雑⾳特性の検証が今後の展望である。
図９ HNLF ⼊射後のスペクトル光スペアナの測定限界のため、1750 nm 以降のスペクトルは分光形によって測定した。
上図の⾚点線はそれぞれ 1030 nm、2060 nmを⽰しており、⽬標としていた１オクターブ以上のスペクトル広がりを実現したことが確認できた。