Sr 光格子時計用 813 nm Tm3+添加 ZBLAN ファイバ MOPA
武者研究室

梶川 詠司
spontaneous emission)が大きいためシュタルク効

1. 背景と目的
Sr 光格子時計は原子時計の中でも最も小さいレ果による遷移周波数シフトが生じてしまうといっ

ベルの周波数不確かさを持ち次世代の周波数標準た欠点がある[1]。そこで、本研究では小型・堅牢かとして期待されている。近年、可搬型の Sr 光格子時

つ低ノイズな新しい光格子用レーザー光源の開発計が実証され今後は更なる小型・堅牢化が期待されを目指した。以下に TiSa と TA の特徴と Sr 光格子ている[1]。将来的には衛星搭載化も見据えられてお時計の要求値について簡単にまとめた。

り、使用されるレーザー光源やシステムには長期安
表 1.1

定動作できる高い信頼性や低い消費電力、そして軽他の光格子用レーザーの特徴量かつ小型である事などが求められる[2]。Sr 光格TiSa

TA

子時計では３種類のレーザーが使用されている。Sr

出力> 2 W[7]

2 W[8]

原子をレーザー冷却する冷却用レーザー、レーザー

SNR< 89 dB[8]~ 40 dB[8]冷却された Sr 原子を光でトラップするため使用さビーム品質

M2 < 1.1[7]M2 < 2[9]れる光格子用レーザー、そして光トラップされた Sr

電力変換効率~0.3%*1~ 5%*2

原子を精密分光するレーザーである。光格子時計のシステム

大型小型登場までは、原子を光トラップするとシュタルク効*1: 励起パワー10 W(Verdi(G10), coherent, 消費電力:700 W)で 2W 出力する事果によって原子の遷移周波数がシフトするため周から算出[8], [10]、チラーは含まれていない波数基準として高い確度が得られなかった。そうし*2: BoosTA pro の消費電力:40 W から算出[8], [9]た状況で 2001 年に東京大学の香取教授によって光格子時計のアイデアが提案された[3]。光格子時計の

表 1.2

特徴は、それまで問題となっていたシュタルク効果による原子の遷移周波数シフトが相殺され遷移周波数が変わらずに原子を光トラップできる事であり、この波長は魔法波長と呼ばれ Sr 光格子時計でSr 光格子時計の光格子用レーザーの要求値

波長（単一波長）

813.4 nm

出力>1W

周波数線幅

< 1 MHz

長期安定動作、高ビーム品質、高 SNR、小型、堅牢は 813 nm である。2001 年に提案された Sr 光格子時計は 2005 年に実証され、近年では 10-18 台の不確かさが実現されている[4]–[6]。光格子用レーザーは

表 1.2 の要求値を満たすために、本研究室では以多くの原子をトラップするために高い出力が求め前よりファイバを用いた MOPA(master oscillator

られ、同時にシュタルク効果による遷移周波数シフpower amplifier)によって光格子用レーザーの開発ト抑制のために狭線幅である事が求められる。そうを行ってきた。MOPA とはマスターレーザーの安定

いった理由から Sr 光格子時計の光格子用レーザー

度を維持したまま光増幅部によって高出力化するは波長 813 nm、出力 1 W 以上、周波数線幅 1 MHz手法であり、高い安定度と出力を両立できる。マス以下でなければならない。現在ではチタンサファイ

タ ー レ ー ザ ー に は ECLD(external cavity laser

アレーザー（TiSa）が使用されているが、システムdiode)を、ファイバ増幅器には Tm3+添加 ZBLAN フが比較的大型である事や消費電力が大きい事、そしァイバを用いる事でこれまでに 1 W 以上の出力をて長期安定動作が難しいといった欠点がある。また、 実証した[11]。しかし、出力の安定性に問題があり実半導体増幅器(tapered amplifier, TA)を用いたシス用可能な光源には至らなかった。本研究では、そのテムも光格子用レーザーとして使用で きるが、原因がフォトダークニングであることを明らかにSNR(signal-to-noise ratio)が小さく ASE(amplifiedすることができたので、フォトダークニングの抑制
1によって安定高出力動作の実証を行なった。

2. フォトダークニングとフォトブリーチン
グ
以下の実験系で増幅実験を行なった際に生じるフォトダークニング、そしてフォトダークニングいたファイバに 532 nm の光を入射した時に生じるフォトブリーチング効果を、白色光の透過スペクトル変化によって調べた。Tm3+は青色の波長帯に吸収を持つが緑色の波長帯には吸収が無いため、フォトブ

図 2.2

SC 光の透過スペクトル（黒:SC 光、青:ダリーチングには緑色のレーザー光である 532 nm をークニング前、水色:ダークニング後、赤:フォトブ

用 い た 。 白 色 光 に は 出 力 を 減 衰 し た SC(superリーチング後）

continuum)光源(SC-5, YSL photonics)を使用した。
使用したファイバは添加濃度 5000 ppm、コア径 4.8

3. 低添加濃度 2 波長励起µm、長さ 300 cm の Tm3+添加 ZBLAN ファイバ(フ次に、フォトブリーチングを行いながら増幅実験

ァイバーラボ株式会社)である。励起レーザーにはラを行なった。実験系は図 2.1 と同じである。増幅出

マンファイバーレーザー（1220 nm）

力を図 3.1 に示す。図 3.1 の赤色の点はフォトブリと Yb3+ファイバレーザー（1050 nm）を用いて 2 波ーチングしながら増幅実験した結果であり、青色は長励起した。信号光の入射パワーが 20 mW、そしてフォトブリーチングなしの状態での増幅結果であ10 W（4 W: 1220 nm、6 W: 1050 nm）で励起し、 る。励起パワー比（1220 nm/1220 + 1050 nm）は約増幅実験を 2 分間行なった。図 2.2 に白色光透過ス44%で増幅実験を行なった。また、励起パワーを 5ペクトルを示す。青色のスペクトルはフォトダーク秒毎に上げて下げる実験を行なった。フォトブリー

ニング前の SC 光透過スペクトルを示し、水色がフチングなしの時はフォトダークニングの影響でヒォトダークニング後（増幅実験後）のスペクトルでステリシスがみられる。一方でフォトブリーチングある。このように、増幅実験によってフォトダークしながら増幅実験した場合はフォトダークニングニングによる吸収が生じていることがわかる。フォが十分抑制されたためヒステリシスがみられていトダークニングしたファイバに 532 nm の光を約ない。また、フォトブリーチングしながら実験する

150 mW 入射することでフォトブリーチングした結と高いスロープ効率と増幅パワーが得られること

果は図 2.2 の赤色のスペクトルで示されておりフォがわかった。この結果からもフォトダークニングのトダークニングによって生じた吸収が回復してい抑制にフォトブリーチングが効果的である事が明ることがわかる。この結果から、532 nm によるフらかになった。

ォトブリーチングがフォトダークニング抑制に有効だとわかった。

図 3.1
図 2.1

増幅実験系
2

低添加濃度 2 波長励起時の増幅出力

4. 高添加濃度 1 波長励起5. カスケードアンプ

次に、励起波長を 1 波長に変えて実験を行った。

次に、SNR の向上と長期動作の実現に向けてカス実験系は図 4.1 に示す。励起レーザーは Yb3+ファイケードアンプを開発した。プリアンプは図 5.1 のよバレーザー（1050 nm）を用いた。使用した Tm3+添うにオールファイバで構築した。使用した Tm3+添加 ZBLAN ファイバ（ファイバーラボ（株））は添加

加 ZBLAN ファイバ(ファイバーラボ（株）)はコア

濃度 15000 ppm、長さ 96 cm、コア径 4.5 µm 、NA

径は 4.5 µm、添加濃度は 15000 ppm、NA は 0.12が 0.12 であり 813 nm においてシングルモードでのシングルモードファイバ（813 nm において）である。この時の増幅出力を図 4.2 に示す。フォトブある。ZBLAN ファイバの両端面はシリカフィバとリーチングを行いながら増幅実験した結果が赤点

1 dB 以下の損失で機械的に結合されている。Yb フであり、フォトブリーチング無しが青点、そして赤ァイバレーザーの励起パワーは 1 W 程度で使用し、線はシミュレーション結果である。この結果からも、 このプリアンプから 200 mW 程度の出力が得られフォトブリーチングを同時に行う事で高いスローた。

プ効率が実現できる事がわかった。この結果は 2 波長励起時と同程度のスロープ効率であるため、両者を比較するとよりシンプルな系の 1 波長励起の方が

図 5.1

プリアンプ概略図

小型化や低消費電力に適する。そのため、この高添加濃度 1 波長励起の手法で実験を進めた。

このプリアンプを用いてカスケードアンプを構築した。最初にフォトブリーチングなしの状態で増幅実験を行なった（図 5.2）。この時の増幅出力を図5.3 に示す。カスケードアンプにする事で 1 W 以上の出力が得られた（図 5.3, 赤点）。

図 4.1 1 波長励起の増幅実験系
図 5.2

カスケード MOPA 概略図（フォトブリーチング無し）

図 4.2

1 波長励起の増幅パワー
図 5.3

フォトブリーチング無しでの増幅パワー（赤：信号光入射パワー100 mW、青：信号光入射パワー20 mW）

3カスケードアンプの増幅出力の時間変化を図 5.4

最後に、SNR を比較した。以下にカスケードアンに示す。このように 1 日以上の連続動作を実証できプにした時の増幅スペクトルを示す。プリアンプをた。しかし、少しずつ出力が減少していることがわ導入し利得分布を分けることよって 50 dB 以上の高かる。これは実験からフォトダークニングによるもい SNR を実現した。のだとわかったので、次に、フォトブリーチングを行いながら増幅実験を行なった（図 5.5）
。フォトブリーチングを同時に行うことで 50%のスロープ効率を実現した。しかし、増幅出力の時間変化についてはアライメントのズレが原因で長時間連続動作は実現しなかった。この問題を解決するためには、堅牢な系にしていく必要があるだろう。

図 5.7

増幅パワースペクトル（赤：信号光 100mW、青：信号光 10 mW）

6. 信号光によるフォトダークニング抑制
信号光によるフォトダークニングの抑制効果について調べた。Tm3+添加ファイバのフォトダークニ
図 5.4

ングは ESA(excited state absorption)が原因だとわ増幅出力の時間変化かっているため、信号光を大きくすることで誘導放出遷移率を大きくしその結果 ESA が抑制されフォトダークニングが抑制されると考えられる。実験系
を図 6.1 に示す。520 nm の光をプローブ光として増幅動作時の 520 nm の透過パワーの時間変化を調べた。520 nm のパワーが小さいためロックインアンプで信号を取得した。増幅実験は 6 通りの信号光の入射パワーで行い、励起光の入射パワー500 mWで行なった。使用した Tm3+添加 ZBLAN ファイバ
図 5.5

カスケード MOPA 概略図（フォトブリ(ファイバーラボ（株）)は添加濃度 15000 ppm、コ
ア径 4.6 µm、長さ 100 cm、NA=0.12 のフォトダーーチングあり）

クニングしていないファイバである。それぞれの信号光で実験を行なった時の 520 nm の透過パワーの時間変化の結果を図 6.2 に示す。

図 5.6

図 6.1

フォトブリーチングありでの増幅パワー（赤：信号光 100 mW、青：信号光 20 mW）

ロックインアンプを用いたフォトダークニング測定系概略図

4

わかった。この事からも、プリアンプを導入し信号光の出力を大きくする事でフォトダークニングが効果的に抑制されることが明らかになった。

図 6.2

図 6.3

様々な信号光パワーにおけるフォトダー

フォトブリーチングしながら増幅動作さクニングによる損失時間変化(520 nm)

せた時の入射信号光パワーに対する増幅パワー（赤：14 mW、青：27 mW、緑：49 mW、橙：69 mW、水（赤）と利得（青）色：92 mW、紫：105 mW）

縦軸は 520 nm の損失を示している。このように、信号光の出力が大きくなると 520 nm の損失が小さくなっていることがわかる。この結果から、信号光の入射パワーを大きくすることでフォトダークニングが抑制されることが実証できた。フィッティン
グには以下のようなストレッチドエクスポネンシ
ャル（stretched exponential）と呼ばれる非指数関数をも用いた。この式はフォトダークニングによっ
図 6.4て生じる透過パワーの時間変化を良い近侍でフィ信号光の出力に対するα (520 nm)ッティングできる式として知られており、フォトダークニングの評価にしばしば用いられる。
1𝑃(𝑡)𝑡 8−10 𝑙𝑜𝑔 (. = 𝛼 11 − 𝑒𝑥𝑝 (− 5 7 .9𝐿
𝑃𝜏

(6.1)

α、β、τはフィッティングパラメータであり、αは定常状態に落ち着く損失の値、β、τは時間変化に関するパラメータである。信号光の出力に対する増幅出力とフィッティングパラメータαの結果を図 6.3 と図 6.4 に示す。これらの結果から、増幅パワーが飽和するに従ってαの値の変化も小さくなっていることがわかる。これらの結果からも、信号光によって ESA が抑制されフォトダークニング

図 6.5の損失が小さくなったと言える。また、813 nm に

フォトダークニングによる損失時間変化（813 nm）

おける損失の時間変化とαの変化を図 6.5、図 6.6 に示す。80 mW 以上の信号光を入射することで 813
nm における損失が 0.3 dB 以下に抑えられることが5

表 7.1 本研究で開発した光源と他の光格子用レーザーとの比較
TiSa

TA

カスケードアンプ

出力> 2 W[7]

2 W[8]

1.5 W

SNR>89 dB[8]~ 40 dB[8]>50 dB

ビーム品質

M2 < 1.1[7]M2 < 2[9]M2~1.1

電力変換効率~0.3%*1~ 5%*20.60%

システム

大型

小型

小型

*1: 励 起 パ ワ ー 10 W(Verdi(G10), coherent, 消 費 電力:700 W)で 2W 出力する事から算出[8], [10]、チラーは含まれていない

図 6.6

信号光の出力に対するα (813 nm)*2: BoosTA pro の諸費電力:40 W から算出[8], [9]7. まとめ8. 参考文献

Sr 光格子時計の新しい光格子用レーザーの開発[1]

S. B. Koller et al., “Transportable Opticalを行った。Tm3+添加 ZBLAN ファイバを用いたファ

Lattice Clock with 7×10-17 Uncertainty,”

イバ MOPA システムのフォトダークニングに対しPhys. Rev. Lett., vol. 118, no. 7, Feb. 2017.てフォトブリーチングによる抑制を行い、増幅動作[2]

R. Schwarz, S. Dörscher, A. Al-Masoudi, S.

すると 1 W 以上の出力が容易に得られることがわ

Vogt, Y. Li, and C. Lisdat, “A compact andかった。また、カスケードアンプにする事で 50 dB

robust cooling laser system for an optical

以上の SNR や 1 日以上の連続動作などを実証した。

strontium lattice clock,” Rev. Sci. Instrum.,

以下に、他のレーザー光源との比較を示す。この結vol. 90, no. 2, 2019.

果より、TA よりも光学的に優れ TiSa よりも小型な[3]

H. KATORI, “SPECTROSCOPY OF

光源の開発ができたと言える。今後は、さらなる

STRONTIUM ATOMS IN THE LAMB-SNR の向上や消費電力の低減、そしてハイパワー化

DICKE CONFINEMENT,” in Proceedings ofなどの性能向上が期待される。フォトダークニング

the 6th Frequency Standards and Metrology,

信号光依存性について行った実験では、信号光の入WORLD SCIENTIFIC, 2002, pp. 323–330.

射パワーを大きくする事で、フォトダークニングが[4]

M. Takamoto, F. L. Hong, R. Higashi, and H.

抑制できることがわかった。これまでフォトダーク

Katori, “An optical lattice clock,” Nature, vol.

ニングについて、こういった実験結果は私の知る限

435, no. 7040, pp. 321–324, May 2005.

りでは報告例が無く初めて実験的に検証された。こ[5]

T. L. Nicholson et al., “Systematic evaluationの結果より、カスケードアンプによって信号光の入of an atomic clock at 2 × 10-18 total

射パワーを最適化する事でフォトダークニングのuncertainty,” Nat. Commun., vol. 6, 2015.

抑制につながるため、高出力なファイバーアンプで[6]I. Ushijima, M. Takamoto, M. Das, T.

問題となるフォトダークニングの新しい抑制手法

Ohkubo, and H. Katori, “Cryogenic opticalとして有効であり様々なファイバーアンプへの応

lattice clocks,” Nat. Photonics, vol. 9, no. 3,用が期待される。今後は、さらに最適化することでpp. 185–189, 2015.

フォトダークニングの抑制や高 SNR 化、ハイパワ[7]“SolsTiS-datasheet.” [Online]. Available:ー化などを進め、長期安定動作を実証し光格子時計

http://www.m2lasers.com/solstis-への導入を目指す。

details.html?file=SolsTiS-datasheet.pdf.
[8]6

S. Bilicki, “Strontium optical lattice clocks :clock comparisons for timescales andfundamental physics applications,”
Université Pierre et Marie Curie - Paris,
2017.
[9]

“Tunable Diode Lasers.” [Online]. Available:
http://quantum.phys.unisofia.bg/saltiel/AgateNATOSpringer06.pdf%
0Ahttp://books.google.com/books?hl=en&amp;lr=&amp;id=W7b2JXKxq0sC&amp;oi=fnd&amp;pg=PA189&amp;dq=EFFICIENT+FRE
QUENCYDOUBLING+OF+FEMTOSECOND+PULSE
S+IN+WAVEGUIDE+AND+BULK+NONLINEAR+CRYSTALS&a.

[10]“Verdi G-Series.” [Online]. Available:
chromeextension://oemmndcbldboiebfnladdacbdfma
dadm/https://www.coherent.com/assets/pdf/C
OHR_Verdi_GSeries_DS_0118_7.pdf#page=4.

[11]

K. Kohno, Y. Takeuchi, T. Kitamura, K.
Nakagawa, K. Ueda, and M. Musha, “1 W
single-frequency Tm-doped ZBLAN fiber
MOPA around 810 nm,” Opt. Lett., vol. 39,
no. 7, p. 2191, Apr. 2014.

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