ピエゾ素⼦を⽤いた位相変調器を組み込んだ⼲渉計の特性測定
宮本研究室 熊野 翔
1.

序論
本研究の⽬的は、ピエゾ素⼦を⽤いた位相変調器を組み込んだ⼲渉計を作成し、経路間の位相差を変化させて⼲渉現象を観察することである。対象となる⼲渉計は、ホログラムの異なる回折次数の出⼒をシングルファイバー中で⼲渉させることによって光⼦を 2 モードの重ね合わせ状態で検出するものであり、本位相変調器によって光路⻑差を制御・安定化する。本論⽂では調査の第⼀段階として、ホログラムの代わりにビームスプリッタ―を⽤いた⼲渉計とする。ピエゾ素⼦のドライバーに印加する制御電圧を変化させることによって位相変調を⾏い、2 つの出⼒ポートから出射される光量を観察する。

2.

原理
2.1 光⼦の軌道⾓運動量状態
光⼦の軌道⾓運動量状態とは、⽅位⾓モード指数を𝑚として、光軸の周りの⽅位⾓𝜑に対する複素振幅の依存性exp (𝑖𝑚𝜑)で表されるモードに光⼦が 1 個存在する状態である。複数の𝑚に対応する状態を重ね合わせた状態が、軌道⾓運動量重ね合わせ状態である。
2.2 経路⼲渉計法
経路⼲渉計法の光学系を図 1 に⽰す。この⽅法では、ホログラムを固定する。測定対象のビームをホログラムに⼊射する。𝑚 次のホログラムは𝑠次回折光にexp (𝑖𝑚 𝑠)の位相変化を与える。⼊射光のモード指数が𝑚 であるとすると、ホログラム反射後の𝑠次回折光は𝑚 𝑠 − 𝑚 のモードに変換される。ホログラムの 0次回折光と 1 次回折光をシングルモードファイバー(SMF)によってフィルターする。𝑚 = 1のとき、0 次回折光側の SMF は元のビームの𝑚 = 0成分のみを通過させ、1 次回折光側の SMF は、元のビームの𝑚 = 1成分のみを通過させる。その 2 つの光を 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーによって重ね合わせ、その出⼒を検出器に⼊⼒することによって 2 つの軌道⾓運動量の重ね合わせ状態を検出することができる。

図 1.経路⼲渉計法の光学系
2.3 ファイバー⼲渉計の部品
・2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラー Evanescent Optics : Model 905P
ビームスプリッター（BS）の⼀種であり、光波を分波・合波することが可能な装置である。マイクロメー
ターの指⽰値を変えることによって出⼒の分岐⽐を調節することが可能である。
・ピエゾドライバ Evanescent Optics : Model 914
位相変調器 Model 915B のピエゾ素⼦を安定駆動するためのアンプ型電源である。
・ピエゾ素⼦を⽤いた位相変調器 Evanescent Optics : Model 915B
半円状の 2 つの部品とピエゾ素⼦より構成されており、そこに光ファイバーを巻き付けて使⽤する。ピエゾ素⼦に電圧を加えることによって部品間の距離が変化し、光路⻑を調節することによって経路間の位相差を変化させることができる。
3.

実験
3.1 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーの特性測定
1. 図 2.2 のように半導体レーザーのビームをシングルモードファイバーに⼊射した。
2. シングルモードファイバーの出射側を 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーの⼊⼒ A 側に接続した。この時、⼊⼒ B 側は付属のケースに⼊れて光が⼊射しないようにした。
3. 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーの出⼒ X,Y にパワーメータを接続した。
4. 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーのマイクロメーターの指⽰値を変え、出⼒ X,Y のパワーを測定した。
5. ⼊⼒ B 側に接続した場合についても、同様の測定を⾏った。

図 2.2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーの特性測定
3.2 ピエゾドライバの特性測定
1. 電圧発⽣器に設定する電圧を 0.5V ずつ上げていき、その時の電圧発⽣器の出⼒電圧をデジタルマルチメーターを⽤いて測定した。
2. 電圧発⽣器とピエゾドライバをケーブルを⽤いて接続した。
3. 電圧発⽣器で出⼒する電圧を 0.1V ずつ上げていき、その時のピエゾドライバの出⼒電圧を測定した。
3.3 ⼲渉計の特性測定
1. 図３のようにファイバーカプラー1 の出射側にアテニュエーターと位相変調器を接続した。
2. 位相変調器にピエゾドライバを接続し、制御信号⼊⼒ポートに電圧発⽣器を接続した。
3. 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーの⼊⼒ A にのみ光を⼊射したときと B にのみ光を⼊射したときの出⼒X,Y の値が近づくように、アテニュエーターを⽤いて調節を⾏った。
4. ⼊⼒ A のみ、⼊⼒ B のみに光を⼊射した時に出⼒ X と Y の値が 1:1 になるように、2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーのマイクロメーターを⽤いて調節を⾏った。

図 3.⼲渉計の特性測定
5. 位相変調器に加える電圧を変化させ、その時の出⼒ X と Y のパワーを測定した。

4.

結果
4.1 2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーの特性測定

図 4.A のみ 指⽰値上昇図 5.A のみ 指⽰値下降

図４に⼊⼒が A のみで指⽰値を上げていった時、図５に同じく下げていった時の出⼒を⽰す。上げていった時は 1 回⽬、2 回⽬について出⼒ X,Y が極⼤値、極⼩値をとる指⽰値は⼀致したが、下げていった時は 0.01 のずれがあった。

図 6.A のみ 指⽰値往復図 7.B のみ 指⽰値往復図 6, 7 にそれぞれ⼊⼒が A, B のみの場合について、指⽰値を上げる時と下げる時の動作のずれを⽰す。先⾏研究[1]では指⽰値 1.2-1.5、今回は 1.45-1.6 でずれが⾒られた。また、出⼒の分岐⽐が 1:1 になるマイクロメーターの指⽰値にも先⾏研究と 0.05 のずれがあった。よってこの後の実験では、光強度を調節する際に指⽰値を下げるまたは上げるの⼀⽅向に決め、微調整は出⼒を⾒ながら⾏った。また、今後も特性が変図 7.電圧発⽣器の出⼒特性

図 8.ピエゾドライバの電圧⼊出⼒化することが考えられるので、定期的に特性測定を⾏うことを予定している。

4.2 ピエゾドライバの特性測定
電圧発⽣器の出⼒特性を図 7 に⽰す。設定した電圧が出⼒されているため、電圧発⽣器としての動作は正常であると判断した。ピエゾドライバの⼊出⼒特性を図 8 に⽰す。⼊⼒ 0-4V の範囲で出⼒が⼊⼒に⽐例した。最⼩⼆乗法を⽤いることにより、利得が 2.45 であることが分かった。
4.3 ⼲渉計の特性測定

図 9.位相変調器 1 の特性測定
図 9 は Serial Number 6984-1 の位相変調器 1 を⽤いた際の⼲渉計の特性測定結果である。電圧発⽣器の出⼒電圧に対する光強度のグラフからは明確な周期のある振る舞いは読み取れなかった。

図 10.位相変調器 2 の特性測定 間隔 60 秒

図 11. 位相変調器 2 の特性測定 間隔 10 秒

Serial Number 7284-1 の位相変調器 2 を⽤いた際、また測定間隔を変えた際にも測定結果のグラフに⼤きな変化は⾒られなかった。原因として位相差が安定せず、⼲渉現象が安定していないこと、電圧を変化させる間隔が⼤きいことが挙げられる。
5.

結論
⼲渉計部品の特性測定を⾏い、実際に⼲渉計を組むことによって⼲渉計の特性測定を⾏った。2 ⼊⼒ 2 出⼒ファイバーカプラーは先⾏研究と動作を⽐較し、運⽤⽅法を決定した。ピエゾドライバは⼊⼒ 0-4V の範囲で出⼒が⼊⼒に⽐例し、利得が 2.45 であることが分かった。⼲渉計の特性測定では、出⼒の分散の増⼤を確認したが、ピエゾ素⼦の印加電圧に対して明確な周期のある振る舞いは観察できなかった。

6.

参考⽂献
[1] 渡辺 ⼤貴, 「波⻑ 830nm のレーザー光を⽤いたファイバー⼲渉計部品の特性測定」, 電気通信⼤学卒
業論⽂, (2018)