波長 515nm 光源の高安定高出力化
学籍番号: 1733095	  氏名:中森	  真輝1.

はじめに	  2015 年 9 月にアメリカの重力波検出器 adv.LIGO
が世界で初めて重力波を検出して以来[1]、合わせて 5度の検出が報告され、重力波天文学が注目を浴びている。重力波とは時空の歪みが波動として伝搬する現象であり、ブラックホールや中性子連星の合体など、巨大な質量の非対称運動に伴って発生する。その特徴として、電磁波などとは異なりあらゆる物質に対して相互作用が小さいことが挙げられる。そのため、電磁波では観測不可能な宇宙誕生初期の情報を知ることができると期待される一方、その直接検出は困難を極める。
検出には重力波による空間の相対変位 dL/L<10-23 よりも高い感度を持つ検出器が必要である。日本では現在地上型の重力波検出器（KAGRA）と宇宙型の重力波検出器（DECIGO/B-DECIGO）の２種類の検出計画が進められている。我々はこのうち、宇宙型重力波検出器(DECIGO/B-DECIGO)の光源開発を行っている。宇宙型の重力波検出計画では地上では観測困難な低周波数帯の背景重力波等の検出が期待される。検出に必要な光源には高い周波数安定度（1 Hz/√Hz @1 Hz）と強度安定度(10-8 /√Hz @1Hz)が求められ、この要求値を達成すべくヨウ素の飽和吸収線(515 nm)を周波数基準とした周波数安定化を行ってきた[2]。さらに、干渉計感度のショット雑音限界を低減させるため、高い安定度のみならず高出力であること（DECIGO:10W/B-DECIGO: 1 W）も求められる。宇宙での使用や衛星搭載も考慮に入れると、光源は小型で高効率かつ堅牢性に優れている必要がある。そこで Yb 添加ファイバーを用いた MOFPA(Master Oscillator FiberPower Amplifier)システムを開発し、第２高調波発生の高出力化を行った。

2.

図 1.	 MOFPA システム	 
図 1 に開発した光源の系を示す。波長 1030 nm の主レーザーを２段の Yb 添加ファイバー増幅器で 10 W の出力を目指し、非線形光学結晶（PP:MgOLN）によって第２高調波である 515 nm の光を 2 W 得ることを目指した。また、偏波保持ファイバーを用いれば偏光特性も安定に保つことができるため、第２高調波の出力を安定して得ることができる。本研究では全ファイバー系を偏波保持ファイバーで作成している。	 
2.1 MO(Master Oscillator)の開発	 増幅器の作成に際して主レーザーを作成した。主レーザーは、周波数強度安定化を行えるよう単一周波数かつ狭線幅、そして強度安定度の高い光源としてフィルタ型の外部共振器型半導体レーザー(ECLD)を 2 台作成した。図 2 は作成した ECLD	 と fiber DFB レーザーとのビート信号のスペクトルである。
２台とも 1030
nm で単一モード発振かつビート線幅が 100 kHz 以下を達成している。また、図 3 には作成した ECLD の相対強度雑音を示している。周波数安定化の際の変調周波数帯域 200 kHz における強度雑音に関しても従来使用していた fiber DFB レーザーに比べて１桁近く低減できていることがわかった。この周波数帯域での強度雑音の低減は周波数安定化の際の周波数弁別信号のSN 比向上につながり、さらなる周波数安定度向上が期待される。現在は周波数安定化光源として ECLDを使用しており、高出力化の系では Yb fiber DFB レーザーを主レーザーとして使用している。

Fiber MOPA システムの開発

一般に MOPA システムはシード光源の周波数特性を維持したまま増幅することが可能である。利得媒体として光ファイバーを用いている MOFPA はそれらの特徴に加え、小型高効率且つ高ビーム品質、単一偏光で増幅を行うことができる。また近年では宇宙線被曝に耐性を兼ね備えた希土類添加ファイバーも開発されており、宇宙での使用も考慮に入れると非常に有用な方法である。

1-40-50

Intensity [dB]-60-70-80-90-100548549550551

図 4. 前段増幅器の出力特性とスペクトル552

frequency [MHz]図 2.ECLD と fiber DFB のビート信号のスペクトル

2.3 後段増幅器（Booster-amplifier）の開発	 
前段増幅器での 400 mW の出力を 10 W まで増幅する２段目の増幅器を製作した。高出力動作のため Yb 添加ダブルクラッドファイバーを用いてクラッド励起を行っている。狭線幅なレーザーの高出力化に伴い、非線 形 効 果 で あ る 誘 導 ブ リ ル ア ン 散 乱 (StimulatedBrillouin Scattering)により出力が制限される可能性があった。利得ファイバーのコア径は 10 µm にし、実効ファイバー長を短くすることで SBS の発生を防ぐことを考えた[2]。以下に増幅の出力とスペクトルを以下に示す。
図 3. ECDL と fiber DFB の相対強度雑音

2.2 前段増幅器（Pre-amplifier）の開発	 
信号の SN 比を向上させるため、２段増幅という方法を採用している。また高い SN 比の達成を狙い、増幅手法としては前方励起の系を作成した。主レーザーからの光はアイソレータを通り WDM カプラーによって励起光と混合する。利得ファイバーはコア径 6 µmの シ ン グ ル ク ラ ッ ド フ ァ イ バ ー (LIEKKI
Yb300-6/125: peak core absorption 300 dB/m)でファ
イバー長は約 1.5 m で、励起は 976 nm の LD で行った。図 4 に前段増幅器での出力特性とスペクトルを示した。
主レーザーの出力 10 mW を前段増幅器では 400mW 程度まで増幅しており、効率は約 60%であった。
増幅後のスペクトルに関しては SN 比で 50 dB を達成している。

図 5. 後段増幅器の出力特性とスペクトル

出力は約 14W で励起した際に最大 10.1 W が得られ、スロープ効率も 71.1%となった。出力の線形性からSBS の影響を受けることなく増幅できていることがわかった。また、出力の時間的安定性に関しては約 20分の測定に関して出力変動 2%以内と比較的安定した動作特性を得ることができた。スペクトルを見てもSN 比で 40 dB を達成できている。ここで、SBS の閾値上昇のためコア径を大きくした結果、空間モードが多モード化する現象が見られたが、ファイバーを曲げることで高次モードに損失を与え単一横モード化を図った[3]。

2よる顕著な雑音増加は見られない。増幅による雑音の寄与を調べるためにはより低い雑音レベルのシード光源が必要である。

3.

515 nm の高出力化

3.1 第２高調波発生

図 6. ファイバーの曲げによるモード整形

ファイバーMOPA を用いて高出力化した 1030 nm の光を基本光に PP:MgOLN 結晶を用いて 515 nm の高出力化を行った。実験系をシンプルにするため第２高調波発生はシングルパス構造で行っている。結晶は結晶長20 mm のものを使用している。

利得ファイバーの曲げ径を変化させた時の出射モードの様子を上の図 6 に示した。ファイバーの巻径を小さくしていくにつれて、ビームのプロファイルが綺麗になっていることがわかる。
beam propagation f=100
2018/10/25

400

y = M1*sqrt(1+(M2*1030.05*(M...
Value
m1350
300

Error

56.65

0.7849m2

1.032

0.013373

m339.915

0.10586

Chisq558.49

NAR

0.99917NA

radius [µm]y = M1*sqrt(1+(M2*1030.05*(M...
Value

250
200

Error

m171.425

0.61164m21.0093

0.0079067

m340.322

0.13612

Chisq423.15

NAR0.99867

NA150
10050020406080100120

distance [mm]

図 9	  第２高調波発生の実験系

図 7. モード整形後のビーム品質

ビーム直径50 µmで集光した時の結果を図5に示した。図中の橙線が実測の出力であり、濃い青線で描かれているのが実測の変換効率である。図中の赤線と青線はそれぞれ、変換効率を3%/Wとした際の出力と効率の理論線である。理論的にはこれらのスペックに近づくはずである。

巻き半径 8 cm の時のビームプロファイルを図 7 に示す。ビーム品質を表す M2 の値は x 軸と y 軸で 1.01 と1.03 となり、非常に高いビーム品質を得ることができた。また、ファイバーを曲げたことによる増幅特性の劣化は見られず、損失なく高次の伝搬モードが抑圧できていることが確認できた。増幅後の相対強度雑音を
図 8 に示す。強度雑音は低周波帯域では励起光源の強度雑音によって支配的になり劣化が見られた。

現在基本光出力 8 W に対して第２高調波出力 1.2 W が得られており、この時の効率は 15%であった。また、パワーで規格化した効率は 1.9%/W であった。
SHG power and efficiency
2019/01/16

200025threoritical power [mW]
SHG 0116

threoritical power [mW]

SHG01161510001050005012345678

theoritical efficiency [%]20

theoritical efficiency [%]15000

launched power [W]

図５.	  515 nm の出力と変換効率

図 8. 増幅後の相対強度雑音スペクトル

目標値である 2 W には及んでいないが、B-DECIGO の出力要求値は達成している。効率としては先行研究での報告[4]ほどの効率は得られていないものの、ビーム

しかしながら、シード光として使用している fiber
DFB レーザー自体の強度雑音がかなり大きく、増幅に3径の縮小により、さらなる高効率化の余地がある。第２高調波発生後の強度雑音は若干の劣化はあるものの、基本波の強度雑音と概ね変わらないことがわかった。

程度強度雑音が劣化することが確認されたという報告もあるが[5]、詳しい原因に関しては言及されていない。
理論的考察からは第２高調波発生により強度雑音が２倍（パワー比で考えると 6 dB）劣化することが示せる。
基本波のパワーをSHG power vs beam diameter2018/01/16

2𝑃! + ∆𝑃!

1.8とすると基本波の相対強度雑音（RIN: Relative IntensityNoise）は以下のように表せる。

efficiency [%/W]

1.6
1.4

RIN =

1.2
1

第２高調波は基本波の出力の２乗に比例するため、そのパワーは0.8
0.6

Δ𝑃!
𝑃!

020

40

60

80

𝑃!! ∝ 𝑃! + ∆𝑃! !
= 𝑃!! + ∆𝑃!! + 2𝑃! ∆𝑃!

100 120 140 160

beam diameter [µm]となる。前の２項は第２高調波の DC 成分であり、第３項が AC 成分である。微小項を無視すると相対強度雑音は

図 10. 最小ビーム径と変換効率の関係
図 10 に PPLN 結晶に入射させる際の最小ビーム径とパワーで規格化した変換効率の関係を示した。最小ビーム径を小さくするに従って、変換効率が２次関数的に増えていることがわかる。これは一般的な変換効率の関係を非常によく表しており、この関係が飽和していないことからも、ビーム径の縮小によりさらなる高効率化が可能であると考えられる。第２高調波発生において雑音の増加が懸念される。非線形光学結晶の偏光依存性や温度依存性によって強度が変化してしまうためである。第２高調波発生による雑音増加を調べるために強度雑音を測定した。

Δ𝑃!!
𝑃!!
2𝑃! ∆𝑃!
=𝑃!!
2∆𝑃!
=𝑃!

RIN =となり、基本波の相対強度雑音の２倍になることがわかる。重力波用の光源としての強度安定度は10!!   / Hzが必要であり、強度安定化は必須である。実際の測定と理論からも第２高調波の発生過程での強度雑音増加があるため、基本波ではなく第２高調波自体の強度を安定化する必要があることが考えられる。

SHG
3.2 第２高調波の強度安定化
相対強度雑音の測定より、第２高調波自体の安定化の必要性が出てきたため、その強度安定化を行った。制
御回路作製のために系の伝達関数を測定した。	

M"YDFcombiner
LD#

図 11. 第２高調波の相対強度雑音スペクトル(976#nm)

上図より第２高調波発生により、強度雑音が 10 dB 程度劣化していることがわかった。この原因としては、第２高調波強度が基本波強度の２乗に比例すること等が考えられるが、詳細な原因に関してはわかっていな
い。一部の論文によると、第２高調波発生によって同output
PPLN

PD

図 12	  第２高調波の伝達関数測定系

4x! 2x!
2= ! = ,y!
x!
x!

図 12 に伝達関数の測定系を示す。実際はメインアンプの励起用 LD の電流源から PD までの伝達関数である。信号取得時には PD において受光されるパワーが一定になるようにアッテネートしている。以下にメインアンプの電流源の電流値を変えて取得した伝達関数を示した。
10Gain [dB]と表すことができる。このようにパワーが高くなるに従って伝達関数の利得が低くなることが示せた。

y2.2A
4A
6A0y1

-10-20y0

-30x0

-40210341010frequency [Hz]5

図 15	  第２高調波出力の２次関数モデル
また、強度安定化する際は特定の出力を維持するように制御を行うため、伝達関数の違いはさほど問題にならない。このうち 4A で動作させた時の出力に関して強度安定化を行った。以下に安定化に用いた制御回路を示す。

200150100xx110図	 13	  第２高調波の伝達関数（利得）	 Phase [deg]x! 2x!
2= ! =y!
x!
x!

2.2A
4A
6A

500-50-100-150-200 210341010frequency [Hz]510

図 16 強度安定化の制御回路
図 14	  第２高調波の伝達関数（位相）安定化した時の相対強度雑音スペクトルを以下に示す。

この結果からメインアンプの出力に応じて伝達特性が変化していることがわかる。これに関しては以下のように考察することができる。前述の通り第２高調波出力は基本波出力の２乗に比例するため図 15 に示す２次関数モデルを考える。伝達関数の利得はこの関数における傾きに相当する。一般的に伝達関数は線形シフト不変システムにおいて適応されるため伝達関数は不変であるが、非線形過程における伝達関数は様相が異なる。

10 -3
lag2danlag1danfreerun servo off

RIN [/rtHz]

10 -4

10 -5

10 -6

y = x!
なるモデルを考えると図中のx! , x! における利得は各点での微分係数になるため2x! , 2x! となる。これは２次の非線形過程を含むシステムにおける伝達関数は一定でないことがわかる。今回の測定では受光パワーを規格化しているので、それぞれの伝達関数は10 -7 110102103frequency [Hz]図 17 強度安定化後の相対強度雑音スペクトル5図中のオレンジ線は無制御時、青線と赤線は制御時の及んでいないが、B-DECIGO の出力要求値は達成しin-loop の 雑 音 ス ペ ク ト ル を 表 す 。 100 Hz で はている。効率は 1.9%/W であり今後さらなる高効率化

10!!   / Hzのオーダーまで安定化できているが、10の余地が残っている。第２高調波発生による雑音の寄!!

Hz では10   / Hz程度に制限されてしまっている。目与を調べるために相対強度雑音スペクトルの測定を行

標の安定度には及んでいないが混入雑音の低減と制御ったところ、10 dB 程度雑音が増加することがわかっ回路の最適化によりさらなる安定度向上が見込まれる。

た。また、高調波の発生過程において雑音が増加することを理論的に示すことができた。強度安定化に関しては伝達関数の測定を通して非線形過程の伝達関数が4.

まとめと今後の展望	 一定でないことを理論と測定によって明らかにした。

強度が安定で且つ高出力な 515nm の光源の開発を行

強度安定化を行った際には２桁程度の雑温抑制に成功った。目標出力は B-DECIGO の要求値を上回る２Wしているが、10 Hz で10!!   / Hzまでしか達成できてとした。515 nm の光源を高出力に得るためには波長いないので、さらなる制御回路の最適化が必要である。

変換が必要であるため、基本光である 1030nm の増幅系を開発した。周波数安定度を維持した増幅をするためファイバーを用いた MOPA （Master Oscilltor
Power Amplifier）システムを採択している。MOPAは一般的に周波数特性の劣化なく増幅が可能である。
さらに光ファイバーを利得媒質として用いることで、	 高効率且つビーム品質の良い光源が得られる。開発した増幅系によって 1030nm で 10.1W の出力を達成し

図６. SHG コヒーレント加算	 た。効率は約 70%であり、ビーム品質を表す M2 の値

参考文献は 1.1 未満となった。全てのファイバーを偏波保持フ[1] B.P.Abbot et al. , PRL 116, 241103, 2016

ァイバーにしたことによって、偏波消光比は 20dB 以上を達成している。出力も約 20 分の測定に対して 2%[2] A.Suemasa et.al. , CEAS Space J 9 (2017) 485-491以内の変動しか見られなかった。第２高調波発生によ[3] JP. Koplow et.al. ,Opt. Lett. 25 7 (2000)って 515 nm を発生させた。現在出力は基本光 8W に

[4]三浦純一	  平成１８年度電気通信大学修士論文

対して 1.2 W が得られており、目標値である 2W には[5] J. Qian, et al. Appl. Phys. 57. 29 (2018):8733-6