光周波数を用いた CO 分子の吸収線と圧力シフトの周波数直接測定
量子・物質工学科 植田研究室 藤田僚平 0113087

研究背景・目的数基準が必要とされている。図 1 に光通信用バンドの割り

光通信では 1.5μm 帯と 1.3μm 帯が用いられている。前者

当てを示す。

は伝送路である光ファイバー中での損失が最も小さく、後者

波長(nm)

1600

は分散が最も小さい。

1550

Lバンド

1500

Cバンド

Sバンド

通信方式については、効率的でスケーラビリティに優れる、190が使われている。これは波長の異なる光それぞれに情報を乗せ、最終的に一本の光ファイバーで情報を伝送する方法である。

195

200

周波数(THz)

WDM(Wavelength Division Multiplexing : 波長多重方式)

図 1:光通信のバンド割り当て状況

本研究では L バンドの周波数基準候補として CO に着目した。12C16O とその同位体、13C16O は 3ν 回転振動遷移の吸収線が合わせて約 80 本あり、これらはＬバンドの周波数帯伝送容量を上げるには 1)装置・伝送路共に増設する 2)各波長毎の通信速度を上げる 3)多重度を上げる が考えら域を十分に満たす物である。図 2 にそれぞれの吸収スペクトルを示す。

れるが、1)については追敷設、維持管理等のコスト面で不利である。2)についてはすでに 40Gbps に達しており、電気素子の問題で大幅な高速化は難しい。3)については送受信機のチャネル数の追加と、伝送路端での光波長合成/分離素子の交換が必要であるが、伝送路はそのままに伝送容量を向上させることができる。電気的な部分は基本的に既存技術で実現できる。利用チャネル数(多重度)と伝送容量は単純に比例し、チャネルには十分な余裕がある。これらのことから通信容量の向上は多重度の向上が最も効率的である。

1560nm

1575

1590

1600

1615

1630

図 2:CO の吸収スペクトル 左:12C16O 右 :13C16O

我々の研究室では光周波数コムを用いた 1.5μm 帯での高精度光周波数測定システムの確立に向けて研究を進めている。1.5μm 帯は周波数にして 200THz 程度であり、電磁波のように直接高精度に測定する方法が確立されていない。

ITU-T が規定するところの C バンド（1540～1560nm）が現在最も利用されている。40Gbps 160 多重が実用化されているが大容量化の要請はとどまることを知らない。現在チャネル間の周波数間隔は主に 50GHz が使われている。周波数間隔詰めてのさらなる多重化にも限界が来る。

本研究ではこのシステム確立の一環として、12C16O、13C16Oの吸収線周波数を第一周波数基準との差周波数直接測定により高精度にもとめ、第二周波数基準に定めることが目的である。目標とする精度は 10-10 とする。これは WDM 装置の製造・調整に要求される値である。過去の測定は波長測定

C バンドではバンド内にアセチレンの飽和吸収から第一であったために分散の影響を受け、精度は 5×10-9 程度であっ周波数標準が定められており、それを基準にチャネルの周た。

波数が決められている。今後の通信帯域拡大に伴い L バンド（1565～1625nm）、S バンド（1480～1510nm）にも周波

また、ガスの吸収線はその圧力によって分子間の平均距離が変わり、分子間の作用でエネルギー準位も変わり、結果として周波数がずれる。これを圧力シフトという。過去の測定では、精度が 10-1 程度であった。これについてもより精度よく測定することを試みた。

た。

光周波数コム共振器内に EOM(electro optic modulator : 電気光変調器)

原理を置き、共振器内を光が往復する度に位相変調を掛け、広第一周波数基準である C2H2 安定化レーザーと、CO の吸帯域にわたり光周波数軸上で等周波数間隔のサイドバンド収線の周波数は 2THz 以上離れており、直接差周波数をを発生させる物である。図 4 に原理図を示す。

求めるのは不可能である。そこで光周波数コム(comb:櫛)を装置へ入射された光は、その光を中心に、外部から与え用いる。これはレーザー光を位相変調する事で、数 THz 以られる 6.25GHz 間隔のサイドバンドを多数発生させる。これ上にわたって等周波数間隔のサイドバンドを発生さるものでらをコムと呼ぶ。等周波数間隔で並ぶことから”光周波数軸ある。光周波数軸で等間隔な周波数の物差しとして使用で上での物差し”として利用することができる。

きる。

使用した光周波数コムの仕様は次の通りである。帯域：

C2H2 安定化レーザーと直近のコムとの差周波数（fbeat1 とす

5THz 周波数間隔:6.25GHz 周波数間隔精度:10-10 (外部る）、プローブレーザーとその直近のコムとの差周波数

Rb 発振器による)(fbeat2)、それらの間にあるコムの数(次数、N)がわかれば以6.25GHz

下の式でプローブレーザーの周波数が求められる。
M

fprobe = fC2H2 - fbeat1 - N×fΔcomb ± fbeat2

M3M

fprobe : プローブレーザーの周波数

5M

fC2H2 : C2H2 安定化レーザーの周波数全体の包絡線

fΔcomb : コム間隔の周波数

図 4:光周波数コム発生器原理図周波数関係のイメージを図 3 に示す。
fbeat2 の符号については、fprobe と直近のコムとの周波数関係で決定される。fprobe の方が周波数が高い場合、符号は+である。fbeat1 のそれについては装置の設計から-に決定している。

アセチレン安定化レーザー
今回使用した C2H2 安定化レーザーの構成図を図 5 に示す。これは 13C2H2 の遷移 ν1+ν3、P(16)の飽和吸収にロックして、194.3695694THz のレーザーを出力する。
温度の影響を押さえるためにセル圧が低く設定されている。
そのために吸収が弱いので、セルをフィネス約 200 の共振器中に置いている。
ECLD(external cavity laser diode : 外部共振器型レーザーダイオード)から出射されたレーザーはセルの設置された共振器に入射される。共振器の反射光を用いて ECLD を共振器の共振周波数に一致させる。

図 3:周波数関係のイメージ本研究では線幅の狭窄化を行った 10-10 の精度のアセチ

C2H2 の吸収を共振器の透過光から検出し、これを用いてレン安定化レーザーに周波数コムを PLL(Phase Locked

共振器長を C2H2 の吸収線周波数に一致させる。

Loop : 位相同期)で周波数を制御し、10-10 の精度で絶対周

結果として ECLD の周波数は C2H2 の吸収線周波数に安波数が確定された光周波数コムを使い周波数計測を行っ定化される。

C2H2 の吸収線周波数に高精度にロックさせるためにロックインアンプが使われているが、原理上、変調を掛ける必要があり、C2H2 安定化レーザーの線幅は自然幅よりも広がっしたもので制御している。
図の AOM 通過後の凹面鏡は AOM 通過時の屈折を補正するための物である。てしまう。
狭窄化装置によって C2H2 安定化レーザーの線幅は使用した C2H2 安定化レーザーの仕様は次の通りである。

3MHz から 140KHz となった。

-13

線幅：3MHz 安定度:10 台 周波数再現性:150KHz
なお、C2H2 安定化レーザーの周波数はこの狭窄化装置を通したことで 160MHz 低くなる。これは AOM 通過中に疎密波からエネルギーを受けるためである。

実験方法
図 7 に実験装置全体の概略を示す。

図 5:アセチレン安定化レーザーの構成図

アセチレン安定化レーザーの線幅の狭窄化
C2H2 安定化レーザーではロックインアンプを利用しているため線幅が 3MHz 程度に広がっていた。線幅の狭窄化は

図 7:実験形骸略図

AOM(acoustic optic modulator : 音波光変調器)によって逆

fbeat1 が 65MHz となるように LD1(→コム)をサーボで位相相で変調を掛けることによってうち消す物である。図 6 に狭同期する。

窄化装置の構成図を示す。

プローブレーザー(LD2)の周波数を FG (function

C2 H2 安定化レーザーgenerator)を用いて吸収線付近で掃引し、LD2 の CO セル透過光強度を測定する。LD2 の非セル透過光強度も同時に計測することで、吸収信号中のレーザー強度変動成分を打ち消すことができる。

PBS

掃引時に波長計で LD2 の周波数の概値からコムの次数λ/4φ×N が求められ、fbeat2 は RF スペクトラムアナライザを用いてAOM計測する。

位相シフタ

線幅狭窄化装置

今回は 200Torr と 600Torr の 2 本の CO セルを用いて吸収周波数を測定、圧力シフトを求めた。

図 6:狭窄化装置の構成図

C2H2 安定化レーザーのロックインアンプの変調に使われ結果

る 1.6KHz を取り出す。系での遅延などを補償するために移セルを透過した光強度と、セルを透過していない光強度相シフタを通したあと AOM に入力され、変調をうち消す。の比から吸収が得られる。

素子中に発生させた疎密波をグレーティングとして利用す

線形吸収信号は Lorentz 型をとる圧力広がりと自然幅、る AOM は 1.6KHz では駆動させることができないのでGauss 型をとるドップラー広がりのたたみ込み積分である、

80MHz をデビエーション約 1.7MHz の 1.6KHz で FM 変調

Voigt 曲線で表されるが、圧力広がりが支配的である吸収中表 1:12C16O 吸収中心周波数と圧力シフト量200Torr
600Torr
吸収線 吸収中心[THz] fit誤差 [Hz] 吸収中心[THz] fit誤差 [Hz]圧力シフト [Mhz/Torr]
R(7)191.1897988
2.503E+05 191.1897187
1.609E+06-2.00E-01
R(8)191.2765735
9.251E+05 191.2764902
1.352E+06-2.08E-01
R(9)191.3601681
4.496E+05 191.3600587
4.563E+05-2.74E-01
R(10)191.4405616
8.021E+05 191.4404879
8.708E+05-1.84E-01
R(11)191.5177684
3.876E+05 191.5176776
7.173E+05-2.27E-01
R(12)191.5917722
2.309E+05 191.5916851
6.269E+05-2.18E-01
R(13)191.6625724
3.264E+05 191.6624787
1.107E+06-2.34E-01
R(14)191.7301561
5.339E+05 191.7300620
1.048E+06-2.35E-01
R(14)191.7301577
4.216E+05 191.7300738
1.144E+06-2.10E-01
R(15)191.7945184
3.673E+05 191.7944279
6.274E+05-2.26E-01
R(16)191.8556823
4.549E+05 191.8556076
1.411E+06-1.87E-01
R(17)191.9136000
4.538E+05 191.9135049
9.501E+05-2.38E-01R(18)191.9683119
3.861E+05 191.9682397
3.107E+06-1.81E-01
R(19)192.0197892
5.245E+05 192.0196750
4.148E+06-2.86E-01
R(20)192.0680192
1.877E+06 192.0678472
2.845E+06-4.30E-01

心は Lorenz 曲線で近似できるので、本研究では中心周波数を求めるために、吸収信号を Lorenz 曲線に最小二乗法でフィットを行った。

心を得るので適さないと思われる。

今後の展望セルの温度管理を行う。本実験では特に 600Torr セルで線形吸収量は指数関数の形をとるので、リニアに戻してから非セル透過高強度との比をとらなければならないが、本実験の目的である吸収線中心周波数を求める場合はリニアにの精度が悪い。セル圧は温度に依存し、セル圧力が高いほど影響は大きい。目標とする 10-10 の精度を得るには温度にして 0.25K 以下の誤差で温度管理が必要である。

戻さなくても精度に影響するほどの差は生じなかったので、単純に光強度の比をとった。
結果を表 1 に示す。吸収中心周波数の測定精度は一部を除き 3×10-9 程度であり、過去の結果より改善した。圧力シ
フトは精度 3×10-2 程度で得られ、過去の測定より一桁以上改善した。

残りの吸収線の吸収中心周波数測定を行う。本研究で用いたコム(帯域 5THz)の周波数をシフトしても 12THz もの帯域に広がっている 12C16O と 13C16O の全ての吸収線の測定は不可能である。導波路型コム(帯域 15THz)などの利用が必要である。また、プローブレーザーの LD の可変域も広帯域化する必要がある。

考察
12C16O と 13C16O にはそれぞれ 40 ほどの吸収線があるが、そのうちのわずかな一部しか測定できなかった。また、一部

参考文献

では精度が過去の測定を下回った。
原因としては、 1)コムの中心周波数とプローブレーザーとが離れすぎ、ビートが弱く周波数が決定できない。 2)CO の吸収が弱いために光強度測定の精度が悪い。 が挙げられる。解決方法としては、 1)コムを周波数の低い側へシフトし、狭窄化 C2H2 安定化レーザーと位相同期させるコムの周波1) W. C. Swann and S. L. Gilbert,
J. Opt. Soc. Am. B. 19, pp.2461-2467 (2002)
2) N. Picque and G. Guelachvili,
J. Mol. Spectrosc. 185, pp.244-248 (1997)
3) 中川賢一 植田憲一 武者満
光波長多重通信用の絶対周波数基準光源の研究開発
4) 橋本 並木アセチレン安定化半導体レーザー光源の線幅狭窄化(2005) ※卒研数を高い方へシフトする。または帯域のより広いコムを使う。
2)CO の実効吸収長伸ばす。具体的には本研究では各セル 2 パスで吸収させたが、パス数を増やすか、単純にセルを複数用いる。 などが考えられる。2)について、共振器中にセルを置くのは、プローブ光を広範囲に掃引して吸収中

5) 田村 洋介
光周波数コムを用いた CO 分子吸収線の周波数測定(2005) ※卒研