精密マイクロ波発生用 figure-8 型光周波数コムの開発
武者研究室 栗原 大周
はじめに
現在，精密マイクロ波発生装置を人工衛星に搭載した日本発の次世代測位システム計画が進められている[1]．
その中で我々は，測位精度を決定する要素のひとつである人工衛マイクロ波周波数基準の精度向上に取り組んでいる．現在周波数基準として用いられているのはルビジウム原子時計であり，その相対周波数安定度はd f / f =10-12 程度である．本研究ではより周波数安定度の高い周波数基システムとして，ヨウ素安定化レーザーの光周波数基準を光周波数コムによりマイクロ波にダウンコンバートするシステムを開発している．このシステムでは光周波数安定度がマイクロ波に移乗されるため，光周波数と同等程度の安定度を持つマイクロ波が発生可能となり，現在の周波数基準より高い 10-15 台の周波数安定度が期待される．本研究の目的は，この新しい周波数基準システムのための光周波数コムの開発である．

モード同期レーザーの開発と制御
人工衛星に搭載する精密マイクロ波発生用の光周波数コムは光学的特性と宇宙環境動作性の双方の面から要求がある．光学的特性としては，高繰り返し周波数（51.15 MHz），セルフスタート動作，低位相雑音，周波数制御性が求められる．宇宙環境動作性として，堅牢性，長期動作安定性，耐宇宙線被曝，小型・軽量であることが求められる．宇宙環境動作性を重視し，光周波数コムの光源に用いるモード同期レーザーとして外乱に強いPM (Polarization Maintaining）ファイバーで構成可能である NALM (Nonlinear Amplifying Loop Mirror)を採用した．
NALM にはfigure-9 型とfigure-8 型の2 つの構成がある．
figure-9 型は高繰り返し化，セルフスタート動作が容易であるが，共振器の一部が空間光学系で構成されることから堅牢性及び長期動作性に懸念があるため，共振器を全てファイバーで構成が可能である figure-8 型モード同期レーザーを選択した．figure-8 型は高繰り返し化やセルフスタートが難しく，また figure-9 型と比較して位相同期後の位相雑音が悪いという報告があり[2]，これらの光学的特性の向上が課題となる．

1.

3.

光周波数コムによる精密マイクロ波発生
光周波数コムは図１のように周波数軸上での等間隔な縦モードで構成されている．光周波数コムの n 番目の縦モードの周波数 𝑓! は，縦モード周波数間隔（繰り返し周波数：𝑓"#$ ）と周波数軸上で最も原点に近い仮想的な 0番目のモードの周波数であるキャリアエンベロープ周波数（𝑓%#& ）を用いて次式で示される．

2.

figure-8 レーザーの開発開発した figure-8 型モード同期レーザーの構成図を図２に示す．堅牢性向上のため共振器は PM ファイバで構成した．利得ファイバーには濃度の異なる 2 種類の EDF(Erbium Doped Fiber) を使用し，主利得ファイバーとして80 dB/m の濃度の EDF を使用した一方で，7 dB/m の EDFを主に分散補償のために導入した．低位相雑音のためにストレッチパルス動作をするように調整を行った結果，共振器内分散は −0.0045 ps* となった．励起用の半導体レーザーは 976 nm 発振のものを用いた．また，高繰り返し化とモード同期動作を容易にするために NALM のループ中には NRPS (Nonlinear Phase Shifter)を導入した．
4.

𝑓! = 𝑓%#& + 𝑛 𝑓"#$
ヨウ素安定化レーザーと𝑓! のビート周波数𝑓'#() を制御し，𝑓"#$ を目的のマイクロ波として取り出す．このとき，𝑓"#$ の安定度は次式で示される．
δ𝑓"#$ 𝛿𝑓! 1 𝛿𝑓%#& 𝛿𝑓'#()≈− ++,𝑓"#$𝑓!
𝑛 𝑓"#$𝑓"#$
この式から𝑓%#& と𝑓'#() の周波数安定度の寄与は1/n（106）となり，𝑓! が𝑓"#$ の周波数安定度を決定することが分かる．そのため 𝑓%#& と𝑓'#() を 10-9 台以上の安定度で制御すると同時に𝑓! をヨウ素安定化レーザーに同期させることによってヨウ素安定化レーザーの 10-15 の周波数安定度を𝑓"#$ に移乗することが可能となる．

図２ figure-8 レーザーの構成
図１ 光周波数コムの概念図

1得られた光スペクトルとパルスの時間波形を図 3，4 にそれぞれ示す．光スペクトルの半値全幅は 40.9 nmであり，ストレッチパルスに特徴的な広いスペクトルが確認された．繰り返し周波数は 53 MHz である．

EDF を使用して作成した．EDFA によって増幅したパルスの自己相関波形を図 5 に示す．自己相関波形を sech2型でフィッティングしたところ，パルス幅は 45.2 fs と得られた．また，増幅後の平均出力パワーは 70 mW であったことから，パルスのピークパワーは繰り返し周波数を考慮して 30 kW であることを確認した．EDFA 増幅後のパルスを HNLF (High Nonlinear Fiber)に入射し，広帯域化させた SC (Super Continuum)光の光スペクトルを図6，7 に示す．

図３ figure-8 の光スペクトル

図 5 figure-8 レーザーの EDFA 後の自己相関波形

図４ figure-8 のパルストレイン
この figure-8 レーザーはセルフスタート動作を実現した．
セルフスタート動作はここでは，外敵摂動を必要とせず励起光操作のみで安定なモード同期状態を得ること指す．セルフスタート動作を実現できた要因のひとつとしては，利得ファイバーに 80 dB/m と高濃度の EDF を用いたことが考えられる．全て PM ファイバーで構成された NALM は非線形偏波回転等と異なり，モード同期のシードパルスとなる外部からの変調を受けにくいため，高濃度の EDF が可飽和吸収のような働きをすることによって共振器内の変調深さを高めた可能性が考えられる．また，半導体レーザーの励起電流をプログラミングし自動化することによって実験室環境で 90 %以上のセルフスタート動作の成功率を実現した．
5.
𝒇𝐜𝐞𝐨 検出figure-8 の𝑓%#& を検出するため，EDFA (Erbium Doped Fiber
Amplifier ) を共振器に用いたものと同様の２種類の

図 6 光スペアナで測定した HNLF 後の光スペクトル

図 7 分光計で測定した HNLF 後の光スペクトル2図 6，7 から 1000 nm から 2000 nm までのスペクトルの拡がりが確認されたため，f-2f 干渉計を用いて𝑓%#& の検出を行なった結果を図 8，9 に示す．図 8 から制御に必要とされる SNR30 dB を達成した．また半値全幅は約 15kHz であり，フリーランでは細い線幅が得られた．

図 10 光周波数コム概要図
ピエゾ素子による𝑓"#$ の制御結果を図 11 に示す．測定開始約 50 秒まではフリーランで𝑓"#$ は変動しており，そこから制御を開始した．測定開始から 400 秒程度経過した時点で制御が外れたことが確認できるが，これはフリーラン時のドリフトによる𝑓"#$ の変動がピエゾ素子のダイナミックレンジ (約 30 Hz) を超えたためである．そのため，フリーラン時のドリフトを温度制御によって抑えることが必要となる．ピエゾ素子による制御時の周波数ゆらぎは 0.05 Hz 以下である．銅板の温度制御による𝑓"#$ の制御結果を図 12 に示す．図中の temperature は空気の温度変化を表している．制御時 𝑓"#$ は空気の温度変化に対して追従せず一定の周波数に制御され，この時の周波数ゆらぎ幅は 10 Hz 以下であり，ピエゾの可制御域内に抑えられたため，長期安定動作が可能となる．

図 8 fceo 信号

図9fceo 信号（拡大）6.
𝒇𝐫𝐞𝐩 制御
開発予定の光周波数コムの概要を図 10 に示す．共振器の出力は，𝑓"#$ の制御系と fceo の制御系の部分にそれぞれカプラーで分けられる．fceo の制御系では，f – 2f 干渉計で𝑓%#& を検出し，共振器の励起用半導体レーザーの電流源にフィードバック制御することにより基準マイクロ波信号に位相同期する．𝑓"#$ の制御系では，光増幅をした後ヨウ素安定化レーザーとのビート信号を検出し，共振器中の EDF を貼り付けた銅板の温度とピエゾ素子を制御することによりビート信号を参照信号と位相同期する．現段階では，𝑓"#$ を直接シンセサイザの信号に対して同期して制御を行った．

図 11 ピエゾ素子による𝑓"#$ 制御結果

図 12 温度による𝑓"#$ 制御結果
3

温度制御とピエゾ素子による𝑓"#$ 制御の結果を図 13 に示す．制御が外れてしまっているパターンが散見されるが，12 時間にわたって𝑓"#$ を一定の値に制御することができた．サーボフィルターの設計を最適化することで制御外れを抑制し，長期安定化が可能となる見込みである．

図 15 セルフスタート成功率の加振周波数依存性

図 13 温度とピエゾ素子による𝑓"#$ 制御結果
環境試験開発した figure-8 型レーザーが宇宙環境において運用可能か調査するため，宇宙環境を想定した試験を実施した．

7.

図 16 セルフスタート成功率の加振加速度依存性
7.1 振動試験
振動試験は，準天頂衛星軌道上において想定される擾
乱を模擬，figure-8 型レーザーに与える影響を調査する目的で実施し，モード同期の安定性とセルフスタートの再現性について調査をした．試験のセットアップを図 14に示す．アルミ板に接着した figure-8 型レーザーを励起している半導体レーザーの励起電流をリモートコントロールすることにより安定したセルフスタートが可能である．加える振動の加速度を一定としてセルフスター
トの成功率を調査した結果を図 15 に，加える振動の周波数を一定として加速度を変化させた際のセルフスタートの成功率を調査した結果を図 16 に示す．測定は各点において 100 回実施した．

周波数依存性，加速度依存性の調査を通じて 94 %以上のセルフスタートの再現性が確認され，無振動時と比較して劣化は確認されたなかった．また，モード同期の安定性についても劣化は確認されなかった．
7.2 熱試験
熱真空試験は真空下かつ温度変化の激しい宇宙環境を模擬し figure-8 型レーザーへの影響を調査する目的で実施し，モード同期の安定性，セルフスタートの再現性に加え，温度による𝑓"#$ 制御性について調査した．熱真空試験で使用した figure-8 型レーザーは可搬可能な小型アルミ得体 ( 200 mm×150 mm×60 mm ) に収納し，EDF部分を貼り付けた銅板の温度によって𝑓"#$ を制御できるよう作成した（図 17）．JAXA の 1 m チャンバーを使用し，真空下で-20℃から 65℃まで環境温度を変化させて試験を実施した．結果としては，モード同期の安定性，セルフスタートの再現性，温度による𝑓"#$ 制御性に劣化は確認されなかった．この試験ではモード同期レーザーのみが対象であったため，光周波数コムとして運用する際に温度耐性が不安視される PMHNLF の温度耐性について熱試験を実施した．

図 14 振動試験セットアップ（左）及び写真（右）4図 19，20 をみると，スペクトル全体への形状の変化は見られないが，特定の波長域で最大 20 dB 程度の細かいパワーゆらぎが確認できる．このパワーゆらぎは温度を一定とした場合には確認されなかったため温度に起因して現れたと考えられる．f-2f 干渉計でビートをとる
1000 nm 及び 2000 nm の波長ではパワーゆらぎが顕著にみられないため𝑓%#& のSNRに大きく影響することはないと考えられるが，今後は𝑓%#& の観測を踏まえた熱試験の実施の必要があるといえる．また，パワーゆらぎが生じる原因の調査についても課題である．

図 17 熱真空試験で使用した figure-8
熱試験の実験概要図を図 18 に示す．figure-8 型レーザ
ーからの出力を EDFA で増幅後，銅板に貼り付けたPMHNLF に入射し，銅板の温度を変化させたときの SC光の変化を光スペアナでモニターした．銅板の温度を上昇させる際にはヒーターを使用し 20℃から 40℃まで，低音にする際にはドライアイスを使用し-60℃から 20℃まで温度変化を与えた．

7.3 被爆試験
被爆試験は，figure-8 型レーザーの放射線被曝による劣化の調査を目的とする．調査項目は，国際宇宙ステーション軌道１年間の総線量である 3 krad でのセルフスタート再現性と，準天頂衛星の設計寿命 16 年分である 160krad でのモード同期の安定性の検証である．試験概要図を図 21 に示す．オレンジ色で示した部分が被爆する領域である．この試験では figure-8 型レーザー，励起用半導体レーザー ( 976 nm )，連続発振の Er 添加ファイバーレーザーを励起波長 976 nm と 1480 nm のものを１台ずつ被爆させた．figure-8 型レーザーと Er 添加ファイバーレーザー を励起する半導体レーザーは被爆領域の外に設置した．figure-8 型レーザーはセルフスタート動作をリモートコントロールできるようセッティングした．試験結果を図 22，23 に示す．

図 18 PMHNLF の温度耐性調査の実験概要図

図 19 冷却時の SC 光の変化

図 21 被爆試験の概要図

図 22 被曝量に対する光スペクトルの変化
図 20 加熱時の SC 光の変化
5

に被曝耐性について調査と対策を進めていく．
参考文献[1] 河野功第 63 回宇宙科学技術連合講演会講演集，JSASS2019-4714(2019)[2] N.Kuse et al., Optica, 24, 2095-3102(2016)

図 23 被曝量に対するパワーの変化
総被曝量 3 krad までのセルフスタートの成功率に劣化は確認されなかった．その後被曝を続けると光スペクトルが徐々に狭くなり，被曝量が約 30 krad に達した時点でモード同期が停止した．図 23 をみると，被曝量が増えるにつれて EDFL の出力が劣化することが確認できることから，被曝によって EDF が損傷したことにより EDFのゲイン，あるいは共振器のゲインが小さくなったことでモード同期が停止したと考えられる．しかしこの試験のみではモード同期が停止した原因を調査するには難しく，追加試験で詳細な調査が必要である．また，figure8 型レーザーが準天頂衛星の設計寿命 16 年分の被曝に耐えられない場合には，耐被曝ファイバーを用いたモード同期レーザーの作成等の対策が必要となる．
まとめ全偏波保持ファイバー構成の figure-8 型モード同期レーザーを開発した．課題とされる高繰り返し周波数化，セルフスタート動作の安定した再現を達成した．観測した 𝑓%#& の SNR は 30 dBm を達成し，フリーラン時の半値全幅は 15 kHz 以下であり，figure-8 の課題であった位相同期に十分な低位相雑音を得られた． 𝑓"#$ のピエゾ制御を行い周波数ゆらぎ幅は 0.05 Hz 以下であった．長期安定化のために温度制御を併せて実現した．また，各種環境試験を実施した．振動試験の結果，セルフスタートの過信加速度/周波数依存性は確認されず，モード同期の安定性にも劣化は確認されなかった．figure-8 型レーザーのみを対象とした熱真空試験の結果，モード同期安定性，セルフスタート再現性，𝑓"#$ 制御性について問題は確認されなかったが，PMHNLF 入射後の SC 光のパワーに温度依存のゆらぎが確認された．被爆試験の結果，被曝量
3 krad までのセルフスタート再現性に劣化はみられなかったが，約 30 krad の被曝量でのモード同期の停止が確認された．今後の課題としては，𝑓%#& の位相同期及び位相雑音特性の詳細な評価を行い，最終的にはヨウ素安定化レーザーと光周波数コムの同期を行いマイクロ波の発生を目指す．また，各種環境試験を追加で実施し，特8.

6