高安定マイクロ波基準発生のための光コムの開発
武者研究室

齋藤 瞭太

ペクトルを有するレーザーである。光コムの縦モー1 研究背景と目的ド間の周波数は、レーザー共振器から出力されるパ日本独自の測位システムを構築するために、これルス列の繰り返し周波数 frep に一致する。frep はまで合計 4 機の準天頂衛星が打ち上げられてきた無制御時にはレーザー固有の周波数ゆらぎを持っが、社会インフラである GPS の高精度化のためのているが、光周波数基準を用いて光コムを制御する次の計画として、現在よりも安定度の高いマイクロと、光周波数基準の持つ周波数安定度が光コムに移波周波数基準を搭載した準天頂衛星を打ち上げ・運乗する。そして、制御された光コムの (frep ) を縦用することが検討されている。GPS の精度を決めモード間のビートとして検出することにより、光周る要因の一つが、人工衛星に搭載される周波数基準波数基準と同等の周波数安定度を持つマイクロ波信の周波数安定度である。これは、測位のための時間

号 (frep ) が得られる。このように、光周波数基準に基準（時計）であり、現在はルビジウムやセシウム安定化した光コムを用いることで、高安定なマイクによるマイクロ波原子時計が用いられている。マイロ波周波数基準を発生させることができる。本研究クロ波原子時計は原子の持つマイクロ波領域の共鳴の目的は、低ノイズな光コムを開発し、ヨウ素安定周波数を基準として 1 秒を定義する時計である。一化レーザーに光コムの繰り返し周波数 frep を同期般に、周波数安定度の指標として中心周波数からのさせることにより、高安定マイクロ波周波数基準を相対的な周波数ゆらぎの大きさを表す δf /f が用い発生させることである。

られる。この指標を用いると、従来の人工衛星に搭2 原理載されている原子時計の周波数安定度は 10−12 から 10−13 程度であり、時間に換算すると数万年に2.1光周波数コム1 秒ほどのずれに相当する。一方で光領域における光コムは周波数軸上に、多数の縦モードが等間隔周波数安定度を考える。光領域の周波数はマイクロに並んだスペクトルを有するレーザーである。光波領域の周波数に比べて 6 桁以上高いため、高いコムの発生方法には、電気光学変調方式 (EOM コ位相精度でゆらぎを検出することが可能となり、そム) とモードロックレーザーがある。EOM 光コムの結果、光領域では高い周波数安定度が実現しやすは、光をマイクロ波により位相変調することで得らくなる。実際に光領域においては、光共振器や原子れる。EOM 光コムでは、光領域とマイクロ波領域分子分光による周波数安定化技術が発達しており、をリンクすることは原理的に不可能である。そのた−18台の周波数安定度も実現されている。周波数

め、我々はモードロックレーザーを用いた光コムを安定化レーザーは高い周波波数安定度を持つが、こ開発している。以下、モードロックレーザーを用いれを光領域の周波数基準として用いることはできてた光コムについて述べる。光コムの周波数空間におも、マイクロ波領域の周波数基準として直接的に用ける模式図を図 1 に示す。このとき、n 番目の周波いることはできない。そこで用いられるのが、光周数成分は、10波数コム（光コム）である。光コムは周波数軸上に多数の周波数成分（縦モード）が等間隔に並んだス

fn = fceo + nfrep
1(1)と表される。ここで、fceo (Carrier-envelope oﬀset

レーザー [1] である。Figure-8 レーザーの模式図をfrequency) は周波数軸上で低周波数域まで縦モー

図 2 に示す。

ドを外挿した場合のゼロ番目の縦モード周波数に相当し、frep (Repetition frequency) は縦モード同士の間隔である。これは、出力されるパルスの繰り返し周波数に等しい。光コムの場合には、この 2 つのパラメータ、fceo と frep が一定となるような制御を行うことが必要となる。つまり光領域の fn を光周波数基準に同期させ、同時に fceo をマイクロ波周波数基準に同期させることにより全縦モードが安図 2 Figure-8 レーザーの模式図定化された光コムとなり、その結果として高い相対周波数安定度を持つ frep を検出することができる。
光コムの持つ相対周波数安定度は、一般的な Figure-8 レーザーは、NALM ループとアイソレーターおよび出力ポートを有するループの 2 つの要素により構成される。NALM ループでδfn
δfceo + nδfrep=
fnfceo + nfrep
1 δfceoδfrep≈+n frep
frep
1 δfceoδfrep≈+n fceo
frep

は NALM の原理で述べたとおり、光の受ける非線(2)形効果の強さによって、透過率が変化、つまり出射方向のスイッチングが起こる。これをパルスに適用して考えてみる。当然だが、パルスには強度の高い部分と弱い部分が存在する。具体的には、パルスのと表される。ここでは、n >> 1 である。この式かピークの部分は強度が高く、パルスの裾の部分は強δfrep
はら分かるとおり、frep の相対周波数安定度 frep度が低い。Figure-8 レーザーの中で、何らかの摂n光の相対周波数安定度 δffn にほぼ等しくなる。一動や雑音に起因して、強度変調もしくは小さなパル方、fceo の相対周波数安定度 fceo /fceo は周波数成ス（シードパルス）が発生したと考える。共振器内分の次数を表す n（ > 106 ) の分だけ寄与が少なくを伝搬するにつれて、いずれこのシードパルスはなるため、より低い安定度を持つマイクロ波基準でNALM ループへと入射する。そして、50:50 のカプも問題がない。

ラにおいてこのパルスの強度は等分されて CW 方向と CCW 方向に別れて伝搬する。このとき、パルスを時間軸で要素に分解したとする。当然、2 つのパルスの持つ要素ごとの強度はカプラ出射直後には等しい。ここで、NALM の原理に従って考えると、CW 方向を伝搬するパルスはループの前方で増幅されるため、非線形効果を強く受け、相対的に大きな非線形位相シフトが生じる。一方で、CCW 方向
図1

光コムの周波数領域における模式図に伝搬するパルスはループ後方で増幅されるため、非線形効果は弱く、生じる非線形位相シフトは相対2.2

Figure-8 レーザー的に小さくなる。つまり、もともとは同じパルスで可飽和吸収体を用いない非線形増幅ループミラーあったとしても、2 つのパルスのそれぞれの成分間(Nonlinear Amplifying Loop Mirror, NALM) をでは異なる量の位相シフトが生じることとなる。まモードロック機構したレーザーの一つが Figure-8

た、一方のパルスの内部で比較をした場合でも、パ2ルス自身の持つ強度分布に応じて、生じる非線形位相シフトの量は変化する。ここまで述べてきた２つのパルス間での非線形位相シフトの差とパルス内部での非線形位相シフトの差を合わせて考える。最終的な NALM の透過率はそれぞれの方向を伝搬する光の間に生じる位相差によって決定されることを原
図 3 開発したソリトン Figure-8 レーザーの概略図

理にて述べた。ここに、パルス内部の要素間にも位相差が生じていることを加えれば、適切な位相差を発生させることによって、パルス中の任意の成分だけを透過方向へと出射できることが分かる。図??
において、パルス中の高強度部分がもう一方のループの CCW 方向に、パルス中の低強度の部分が CW方向に伝搬したと想定する。このとき、CCW 方向に伝搬する成分はアイソレーターを透過できるた
め、再び NALM ループへと戻る。一方で、CW 方向に伝搬する成分はアイソレーターを透過できず、NALM ループへと戻ることはできずに損失となる。
図 4 ソリトン Figure-8 レーザーの発振スペクトル

これは、前述したモードロックの原理である「強度依存の損失」に他ならない。このようにして、生じる位相差を適切に設定することで、Figure-8 レー

4 分散調整 Figure-8 レーザーの開発

ザーにおいてモードロックが実現される。

fceo の持つ線幅はモードロックレーザーの持つ3 ソリトン Figure-8 レーザーの開発

分散値がゼロに近いと細くなる。そのため、正常分

図 3 に本研究にて開発した異常分散領域でのソリ散の利得ファイバと分散補償ファイバを用いるこトン Figure-8 レーザーの概略図を示す。共振器はとで全体の分散値をゼロに寄せた分散調整 Figure-偏波保持ファイバによって構成することにより堅牢8 レーザを開発した。開発した分散調整 Figure-8性を高めている。また、モードロック機構には非線レーザーの概略図を図 5 に示す。共振器中ではソ形増幅ループミラー (Nonlinear Amplifying Loop

リトンの場合とは異なり、正常分散のエルビウムMirror, NALM) を用いており、可飽和吸収体と比添加ファイバを利得媒質としている。また、偏波保べても長期動作が可能になっている。図 4 にソリト持分散補償ファイバを 0.45 m 使用した。分散補償ン Figure-8 レーザーの発振スペクトルを示す。スファイバと一般的な偏波保持ファイバを融着する際ペクトル幅は 9 nm で、繰り返し周波数は 32 MHzには、モードフィールド径のミスマッチが主因となとなった。共振器中のファイバを短縮することで、り最大 1 dB のロスが発生するとされている。これ繰り返し周波数を高めることは可能である。

については、経験的には、問題にならない大きさのロスであると判断した。図 6 に分散調整 Figure-8レーザーの発振スペクトルを示す。スペクトル幅は28 nm、繰り返し周波数は 36 MHz となった。また、共振器の持つ分散値は −0.008 ps2 と見積もられる。平均出力はシングルパルス動作時で 0.7 mW程度である。

3

チャープパルスアンプの構成となっており、最終段にて分散調整を行うことでパルスを圧縮する。

30dB/m の吸収量の EDF を 3 m 用い、オシレーターの平 均出力 1 mW を 120mW 程度まで増幅した。図 7 と図 8 に EDFA で圧縮を行った際のパルスの自己相関波形とそのときの光スペクトルの様子
図 5 開発した分散調整 Figure-8 レーザーの概略図を示す。自己相関波形からパルスの分裂が生じていることが分かる。しかしかながら、メインピークで考えれば高いピークパワーが得られていると考えられたため、、高非線形ファイバ (HNLF) を融着しスペクトルの拡大を行った。

図 6 開発した分散調整 Figure-8 レーザーの発振
スペクトル
図 7 EDFA で圧縮を行った際のパルスの自己相関波形

ソリトン Figure-8 レーザーと分散調整 Figure-8 レーザーで使用している NRPS は自由空間に構成した手製の位相シフタである。そのため、モジュール化された NPRS を使用する場合と比較して、共振器中のロスは大きくなっている。このロスを低減することによって、平均パワーやスペクトル幅を向上させることが可能であると考えている。実際に、分散調整 Figure-8 レーザーにおいては、初期状態
ではスペクトル幅が 11 nm 程度であったものが、空間分でのロスを低減した場合に、上記のスペクト
図 8 EDFA で圧縮を行った際の光スペクトルル幅 28 nm へと拡大した。最終的には、モジュール化または使用素子の十分な選定が必要になると考えている。

今回の系では、スーパーコンティニューム光の基本波の 1030 nm 成分と、2060 nm 成分の SHG

5 光コム化に向けたソリトン Figure-8を取った 1030 nm 成分とを f-2f 干渉計を用いた自レーザーのための増幅器の開発

己参照法によってビート検出することにより fceo開発したソリトン Figure-8 レーザーをオシレービートを取得する。ここで得られたスーパコンティ

ターとし、光コムにするための fceo ビートの検出

ニューム光での基本波と SHG 光のスペクトル上でを目的に、増幅器の開発とスペクトル拡大の実験の重なり合いの様子を図 10 に示す。スペクトルのを行った。作製した増幅器の概略図を図 9 に示す。

広がりが十分であることが確認されため、fceo ビー

4ト検出を試みたが、信号を取得することはできな力とのビートだけが検出できなかった。この結果かかった。

ら、HNLF におけるスペクトル拡大の過程でコヒーレンスの低下が生じていることが懸念された。この結果を踏まえて調査を行うと、HNLF へ入射するパルスのパルス幅がコヒーレンスに影響するということが分かった [2][3]。そこで、EDFA に含まれる

図9

スペクトル拡大のための EDFA の概略図

SMF の長さを変えることでパルス幅の調整を行ったところ、と 1.5 µm 帯におけるコヒーレンスの向上が確認できた。このとき観測したビート信号を図??に示す。HNLF 直後の場合でも増幅直後の場合と同様にビート信号が得られていることが確認できる。しかし、と 1 µm 帯でのビートを検出することはできておらず、SC 光全域でのコヒーレンス保持には至っていないと考えれられる。そのため、さらなる増幅器の構成の最適化が必要であると言える。

図 10 HNLF でのスペクトル拡大により得られた SC 光と SHG 光

スペクトル上でのオーバーラップが観測されたにも関わらず fceo ビートを検出することができな
図 11かったため、その原因について検証を行った。ま

パルス幅調整によって得られたビート信号(左)EDF での増幅後 (右)HNLF 後ず、受光強度についてである。SC 光の基本波の1030 nm 成分と SHG の 1030 nm 成分それぞれの強度に基づいてフォトディテクター上でのビート信

6 まとめと展望号の受光強度を簡易的に計算すると、測定器のノイズレベルを上回る強度でビートが得られるという本研究では、異常分散領域のソリトン Figure-8結果が得られた。また、測定器のノイズレベル以下レーザーとゼロ分散領域の分散調整 Figure-8 レーでしかビート信号が得られていないことも考慮しザーを開発した。ソリトン Figure-8 レーザーでは、実際の測定時には電気的に 40 dB のアンプも用いスペクトル拡大に向けた EDFA を開発し、fceo ビーていた。それでも、fceo ビートを検出することがでト取得に十分と考えられるスペクトル幅を得ることいていないことから、受光強度以外の要因によってができた。しかし、コヒーレンス低下が原因で fceo制限されていると考え、次に SC 光の持つコヒーレ検出することはできなかった。分散調整 Figure-8ンスの検証を行った。ここでは、SC 光と 1.5 µmレーザーでは、fceo 検出に向けてオシレーターの最帯の ECLD とのビートを取得することにより簡易適化を行った。こうした結果を踏まえて、今後はソ的なコヒーレンスの検証とした。結果として、オリトン Figure-8 レーザーにおいては発振状態の見シレーターの出力ポート直後の出力とのビートと直しや増幅器の構成を変更することによりシングル

EDFA での増幅直後とのビートは検出することがパルスでの十分なパルス圧縮によってコヒーレンできた。しかし、HNLF でのスペクトル拡大後の出スを保持したままスペクトルを拡大し、fceo ビー5トの検出と制御を行っていく必要がある。分散調整Figure-8 レーザーは平均出力やスペクトル幅など、共振器の発振状態が 最適ではないと考えられ、分散値やゲインとロスの調整が必要と考えている。分
散調整 Figure-8 レーザーにおいても fceo ビートの検出と制御を行った後には、ソリトン Figure-8 レーザーと分散調整 Figure-8 レーザー間での比較およびそれぞれを オシレーターとした光コム間での比較を行い、マイクロ波周波数基準発生のための低ノイズ光コム開発につなげていく。

参考文献[1] J. W. Nicholson et al. Opt. Express 14, 81608167 (2006).
[2] M.Nakazawa et al. Opt. Fiber Tech. 4, 215223 (1998)[3] J.W.Nicholson et al. Opt. Express, 12, 679688 (2004)

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