ファブリー・ペロー共振器を用いた広帯域光周波数基準の開発と評価
武者研究室 山口弥生ているため長期安定度が良い点である.

1 序論

また, 光共振器の共振周波数を周波数基準とレーザーは単色性・指向性に優れ, 他の光して用いる場合, 線幅が細いため信号の SNR源に比べて無制御時でも周波数安定度が高が良く短期安定度がよいという利点がある.

い. その特性から, 分光や周波数測定, 測距な

そこで本研究では, 周波数基準としてファブどの分野で応用されている. これらの分野にリペロー (F.P.) 光共振器を用いた発振線幅

おいては, 安定な周波数基準に対しレーザー1Hz 以下（周波数安定度 10−15 @1sec）の超の発振周波数を一致させ, レーザーの周波数狭線幅光源を開発する. そして, その超狭線揺らぎを抑えることで測定精度の向上が実現

幅光源の周波数安定度を, 本研究室においてできる. このように, 単色性を向上させる制開発が進められてきた光周波数コムの全縦御を施したレーザーである周波数安定化レーモード周波数に移乗することで, 広い波長域ザーは, 発振周波数の揺らぎが少なく, 周波において高い周波数安定度を有する光源の数軸上で非常に細い線幅を有する光源である開発を行う. また, 長距離伝送用位相補償光ことから, 狭線幅光源とも呼ばれる. しかし,ファイバを用いた周波数基準分配システム構それぞれの応用分野において最適な周波数を築による, 遠方への広帯域光周波数基準の配持つ狭線幅光源を各々用意することは大変困信を目標とする.

難である.
周波数安定化レーザーの周波数基準には光共1.1

超狭線幅光源振器を用いる場合と原子または分子の電子遷レーザーの周波数安定化は, レーザーの発移や振動遷移による吸収・蛍光の中心周波数振周波数を安定な周波数基準に対して一致さが用いられる場合があり, 原子や分子の電子せる電気的な負帰還制御によって行う. 本遷移などによる吸収・蛍光の中心周波数を周研究にて用いた基準はファブリペロー (F.P.)

波数基準として用いる場合の利点としては,光共振器の共振周波数であり, 共振器長 L =原子分子の共鳴周波数を利用する場合, 一般100mm, 共振線幅 4.0Hz (実測値) である.に原子や分子の気体を封入したセルが用いら

F.P. 光共振器の共振周波数を fR , 共振周波れるが, このセルが振動等を受けても原子や数の揺らぎを Δ fR とした時, 共振器長の変分子の周波数がゆらぐことはないため, 外乱

動 Δ L との関係は以下の式で表される.

による影響を受けにくく, 周波数が固定され1

Δ fR

ドを発生させる. その後, 安定で高フィネ(1)スの光共振器に入射し, その反射光をフォト

従って, 共振周波数の揺らぎ Δ fR を抑える

ディテクタにより自乗検波を行うことで, 共ためには, 共振器長の変動 Δ L を抑制する必

振時は周波数安定化されたキャリアとレー要がある. そこで, 共振器のスペーサー素材

ザーの周波数揺らぎを保持したサイドバンドとして Ultra Low Expansion(ULE) ガラスとのビート信号を取得する. そのビート信を用い, Airy Point で共振器を支持すること号を復調し誤差信号としてサーボフィルタにで縦振動による共振器長の変動を相殺していよってレーザーにフィードバックすることでる. また, 二重の熱シールドで覆って温度制発振周波数を光共振器の共振周波数に一致さ御を行い, 真空槽に入れることで共振器長のせて周波数安定化を行う方法が PDH 法であ変動を抑えている.

る.

fR=ΔL

L

狭線幅光源の実験系を図 1 に示す.
光源には外部共振器型半導体レーザー(ECLD) を使用した. ECLD の発振周波数と F.P. 光共振器の共振周波数の差である誤差信号の取得は, Pound Drever Hall 法による周波数弁別で行い, 制御回路を介して誤差信号を電流源へフィードバックすることで電流制御による ECLD の発振周波数安定化を
図 2 Pound Drever Hall 法による周波数弁別行っている.

概略図

今回, 音響雑音や地面振動などの外乱対策として, ECLD の防音対策を行い, また, サーボの高利得化や, 電流源帰還及びゲインチップ直接帰還による並列電流制御による制御帯域の広帯域化を行った. 加えて, ECLD 中の圧電素子への印加電圧を制御し, 複数のアクチュエータを用いた発振周波数制御を行い,
図1

数時間の間安定した周波数制御を実現した.

超狭線幅光源の実験系概略

ECLD の発振周波数と光共振器の共振周波レーザー光に対して電気光学変調子数の差が, 時間とともにドリフトすることで(EOM) により位相変調を加えてサイドバン系全体の周波数特性が変化し, 周波数制御が2大を図った.

外れてしまう現象が確認されていた. そこで,電流源による ECLD の発振周波数制御に加え, ECLD 中の PZT に対しても負帰還制御を行うことで, 周波数ドリフトを相殺し, 電流値変化による系の周波数特性の変化を抑えることで長時間安定制御を試みた.
図 3 に電流源及び PZT ドライバへの制御信号を示す.

図4サーボの利得周波数特性

低速回路の改善, また, ゲインチップ直接帰還回路の併設により, 1 Hz での利得が 45 dB程度から 95 dB 程度に向上し, また, 制御帯域は 1 kHz 程度から 200 kHz 程度に向上した.
また, この時の狭線幅光源の周波数雑音スペ
図3クトルを図 5 に示す.

電流源及び PZT ドライバの制御信号

時間軸上 100 sec 付近で PZT の制御をかけ始めている. 電流源による ECLD の発振周波数制御に加え, ECLD 中の PZT に対しても負帰還制御を行うことで, 周波数ドリフトを相殺することが確認された.
サーボの利得周波数特性を図 4 に示す.
灰色点線が改善前, 赤実線が電流源帰還の低速回路, 青実線がゲインチップ直接帰還の高速回路の利得周波数特性を表している. 電

図 5 狭線幅光源の周波数雑音スペクトル

流源は高周波数域でローパス特性を有するため, 電流源を介さず, ゲインチップに直接帰この系の制御帯域は 200 kHz 程度であるこ還させる経路を設けることで, 制御帯域の拡とがわかる.
3この時, 1 Hz での周波数安定度が 10−2 程度

fceo はルビジウム原子時計などのマイクロ波であり, 目標値である 1 Hz/rtHz@1 sec を下領域周波数基準に対して, また, frep は狭線回っていることが確認できた. しかし, この幅光源を基準として, 電気的な負帰還制御に結果はあくまで ECLD の発振周波数の, 光共よる周波数安定化を行い, すべての縦モード振器の共振周波数に対する追従度を表していが狭窄化された広帯域な光周波数基準となるため, ECLD の発振周波数の絶対評価とはる. fceo 及び frep は負帰還制御により周波数言えない. したがって今後同程度の周波数安安定化を行う. また, 図 6 に広帯域周波数基定度を持つ周波数安定化レーザーを用いた周準の実験系を示す.

波数安定度評価などを行う必要がある.

1.2

広帯域光周波数基準

1.2.1

光周波数コムモード同期レーザーから発生する光は周波数軸上において, 繰り返し周波数 frep により決定される間隔で立つ縦モード列となる. これらの縦モード列が櫛 (comb) の形状に見えることから, 光周波数コムと呼ばれて

図 6 モード同期レーザーによる光周波数コムの実験図

いる. この縦モードの間隔 frep はすべて等
しく, frep に狭線幅光源を位相同期を行うことで, 広帯域な光周波数基準を実現すること

1.2.2

fceo の周波数安定化ができる. 実際にはキャリアと包絡線の位相高非線形ファイバによりスペクトルが 1 オ差によって生じる仮想的な周波数オフセット

クターブ拡がった光であるスーパーコンティ(Carrier Envelope Oﬀset) fceo が存在し, 光ニウム (SC) 光の 1 μ m 及び 2 μ m の第二周波数コムの n 番目の縦モードの周波数を高調波 1 μ m を用いた f − 2f 干渉計を構築

fn とすると, n 番目の縦モードは以下の式でし, それらのビート信号を, 自己参照法を用表される.

いて fceo を検出している.

従って、光周波数コムは fceo 及び frep を Rb

fceo は, ルビジウム原子時計に安定化された原子時計などのマイクロ波領域周波数基準やシンセサイザからの信号を基準信号とし, 位光周波数基準と位相同期を行うことで, すべ相差を位相周波数弁別器 (PFD) により電圧ての縦モードが狭窄化された広帯域な光周波差として出力される. その後, 制御回路を介数基準となる.

してモード同期レーザーの励起 LD に接続された電流源のモジュレーション端子と LD の

fn = fceo + n · frep

ゲインチップに直接フィードバックすること(2)4で周波数安定化制御を行っている.
この時得られていた fceo の周波数安定度は

10−14 程度であり, これは検出される fceo のSNR が低いことが原因の一つであると考え,fceo 検出系最適化により信号強度向上を図った.
図 7 に SNR 改善後の fceo を示す.
図8

1.2.3

fceo のアラン分散

frep の周波数安定化

frep の周波数安定化には前述の狭線幅光源を用いて行う. 狭線幅光源とその発振周波数近傍の光周波数コムの縦モードとのビート信号によるオフセット位相同期を行うため, まずビート信号の取得を行った.
図 9 に狭線幅光源と光周波数コムによるビー
図 7 SNR 改善後の fceo

ト信号を示す.

改善前は 20 dB 程度であった SNR が 30dB まで向上した. また, 図 8 は fceo 制御時のアラン分散である.
図 8 において, 左側の縦軸はマイクロ波領域での周波数安定度, 右側の縦軸は光領域に換算した場合の周波数安定度である. 緑色がフリーランでの fceo , 青色が以前得られていたfceo , 赤色で示しているのが現在の fceo , 灰色で示しているのが同期に用いているシンセサイザのアラン分散である. 光領域の周波数に換算した場合の安定度は 1 sec で 10−15 台に

図 9 ECLD と光周波数コムのビート信号達している.
図 9 のに置いて, 赤色が無制御時の ECLD5とのビート信号, 青色が狭線幅光源とのビー狭線幅光源の周波数安定度を移乗し, 広帯域ト信号である. 狭線幅光源の方が周波数線な光周波数基準の開発を行うことを目的とし幅は狭いはずであるため, ビート信号はよりた. fceo のマイクロ波周波数基準を用いた位狭窄化されると考えられたが, 得られた信号

相同期は, 光領域に換算した場合の周波数安は非常に太っていた. 共振器長の安定度や誤定度が, 10−14 @1 sec 程度であった. そこで,差信号には問題がないと考えられるため, 周fceo の SNR を 20 dB から 30 dB に向上させ波数雑音スペクトルでは評価することのできることで, 現状で 1.5 × 10−15 @1 sec 程度のない狭線幅光源の絶対周波数が, 電気的なモ周波数安定度を得られた.

ジュレーションなどの何らかの影響により揺しかし, 光周波数コムと狭線幅光源とのビーらいでいると推測される.

ト信号取得を試みたところ, ビート信号が無制御時 ECLD と光周波数コムとのビート信号に対して周波数線幅が拡大してしまった.

2 まとめと展望

これは狭線幅光源への電気的なモジュレーF.P. 光共振器を用いた発振線幅 1 Hz 以下ションが原因であると考えているが, 現在調(周波数安定度 10−15 @1 sec) の超狭線幅光源査中である.

を開発し, 光周波数コムにその周波数安定度

今後は, 狭線幅光源に混入していると考えらを移乗することで広帯域周波数基準の開発をれるモジュレーションを抑え, 光周波数コム目的とし実験を行った.と狭線幅光源とのビート信号狭窄化を行う.

また, 光源の変更に伴い, 周波数安定化の制

その後, frep の周波数安定化を行うことで,御が短時間しか持たず不安定であったため,frep の周波数安定度 10−15 @1 sec を達成す

低周波数帯域での利得がより高く得られるることで広帯域光周波数基準を完成する。まよう, 周波数帯域 1 Hz で 40 dB であった利た、この周波数基準の評価として, 本研究室で得を, 最大で 95 dB 程度まで引き上るよう用いられている 1um ヨウ素安定化レーザーな設計を行った. また, ECLD のゲインチッの周波数安定度評価を行う.

プに直接帰還する経路を通るような回路にまた, 長距離伝送用位相補償光ファイバーによる並列制御により制御帯域の向上を図っ

よる遠方の機関への周波数基準分配システムた. ECLD の発振周波数制御のアクチュエーの構築により, 他機関との光源の周波数安定タを増やし, 長時間の安定制御を実現した.

度の評価を行うことも可能となる. 現段階でサーボの最大利得 95 dB 程度, 制御帯域 200は広帯域光周波数基準を本校レーザー棟内のkHz 程度であった.

各研究室へ高精度光伝送により分配するシス

広帯域周波数基準に関して, 光周波数コムとテムを構築中である.

狭線幅光源を位相同期させることで, 光周波数コムの等間隔に並んだすべての縦モードに6