衛星搭載精密マイクロ波発生装置の開発
武者研究室 田中祐志

1.

序論

2.

昨今、日本独自の準天頂衛星測位シス原理

2.1 NALM と Figure-8

テムである「みちびき」の構築がすすめ

モード同期レーザーにおいては、可飽られており、新システムの構築と、応用和吸収機構が必要となる。可飽和吸収機

範囲の広範化に伴い、測位精度向上の要構の例としては SESAM(半導体可飽和請が高まっている。精度向上のためには、吸収ミラー)や NPR(非線形偏波回転)測位に用いるマイクロ波の周波数安定などが挙げられるが、これらの手法は空度の向上が必要であり、そのためには現間光学系を持ち、外乱に弱くなり、宇宙在の Rb 原子時計基準(周波数安定度空間での運用には適さない。そこで本研

10−12)よりも高い安定度を持つ周波数基準が必要となる。

究では NALM(非線形ループミラー)に着目する。NALM は利得の非対称配置

高安定基準の一つとして、ヨウ素安定による、時計回り光と反時計回り光の非化レーザー等の光領域周波数基準が挙線形位相差を利用した可飽和吸収機構げられる。光領域周波数基準は10−15程度の高い安定度を実現可能である一方、であり、全てファイバーを用いて構成することが出来る。

マイクロ波領域の周波数基準として用この NALM を用いたモード同期レーいるには周波数のダウンコンバートをザーの例として、8 の字型(Figure-8 型)必要とする。安定度を保った周波数ダウ共振器が挙げられる。

ンコンバートの手段としては光周波数

Figure-8 共振器は図 1 のような構成コムを用いたものがある。光周波数コムをしている。このような共振器の構成をは周波数軸上に等間隔に縦モードが並用いることで、共振器全体を光ファイバんだコヒーレントな光であり、詳細は後ーで構成することが出来、堅牢なモード述するが光周波数コムと光周波数基準同期レーザーを実現できる。

を同期させることで光周波数基準の安定度をマイクロ波周波数に移乗させることが出来る。
本研究では、この光周波数基準を用いた精密マイクロ波発生システムの実現に向け、振動に強い偏波保持ファイバーを用いた 8 の字型共振器を持つモード同期レーザーを作製し、これに対し共振器長の制御を行い、繰り返し周波数の安図 1.Figure-8 共振器の概略図定化を行った。また、実際に宇宙空間で運用可能とするための宇宙環境試験に向け、その評価指標としてのソリトン動作モード同期レーザーを作成した。

2.2 光周波数コム
光周波数コムにおいて、𝑛番目の縦モードの周波数は次式で表される。

数コムの発振器として使用するモード
𝑓𝑛 = 𝑓𝑐𝑒𝑜 + 𝑛𝑓𝑟𝑒𝑝(1)

同期レーザーに対して宇宙環境試験を実施することを予定している。ソリトン

ここで𝑓𝑐𝑒𝑜 はキャリアエンベロープ

モード同期レーザーでは、光スペクトル位相差のフーリエ変換であり、𝑓𝑟𝑒𝑝 は時上にケリーサイドバンドと呼ばれる特間領域において波形のビート周波数と徴的な構造が見られ、その間隔は共振器して現れる、マイクロ波領域の周波数での分散の値により変化する。従って宇宙ある。光周波数コムの概念図を次の図 2

環境試験にソリトンモード同期レーザに示す。

ーを用いることで、ケリーサイドバンドの間隔から分散値の変化を読み取ることが出来、放射線被爆量と対比することで放射線の共振器内分散への影響を定量的に評価することが出来る。そこで本章では、宇宙環境試験での評価に用いる

図 2.光周波数コムの概念図

ため、偏波保持ファイバーの一種である
PANDA ファイバーを用いて Figure-8(1)式より、𝑓𝑛 の安定度は次のように表される。

𝛥𝑓𝑛 𝛥𝑓𝑐𝑒𝑜 + 𝑛𝛥𝑓𝑟𝑒𝑝=
𝑓𝑛
𝑓𝑐𝑒𝑜 + 𝑛𝑓𝑟𝑒𝑝

ソリトンモード同期レーザーを作成した。

(2)

ここで𝑛が十分に大きいとすると、逆に𝑓𝑟𝑒𝑝 の安定度は次の(3)式で表される。

図 3 作成した Figure-8 モード同期レーザーの概略図∆𝑓rep ∆𝑓n 1 𝛥𝑓𝑐𝑒𝑜≒−𝑓rep𝑓n𝑛 𝑓𝑟𝑒𝑝

(3)

この Figure-8 モード同期レーザーでは、𝑓 = 0.5とし、利得媒質として Er 添

すなわち、𝑓𝑐𝑒𝑜 の安定度の寄与は𝑓𝑛 に比加 フ ァ イ バ ー (Erbium-Doped Fiber,べて小さくなり、𝑓𝑛 を高安定な光周波数EDF)を用いている。EDF の励起には外基準を用いてロックすることで、その安部光源として波長 976 nm の半導体レー定度を𝑓𝑟𝑒𝑝 に移乗させることが出来る。

ザーを用いる。本研究では、NALM のル ー プ 中 に 非 相 反 位 相 シ フ タ (Non-3.

宇宙環境試験に向けたソリトン動作

Reciprocal Phase Shifter, NRPS)を用いFigure-8 モード同期レーザーの開発ている。これは CW の光と CCW の光本研究グループでは、将来的に光周波に逆向きの位相シフトを与えために用いており、伝搬に伴う非線形位相差に加を取得したところ次の図 6 のようになえて NRPS でも位相差を与えることで、った。

より容易にモード同期を得ることが出来るようにしている。
作成したモード同期レーザーに用いた EDF は Nufern 社の PM-ESF-7/125であり、波長 1530 nm における吸収量は 55 dB/m であり、この EDF を 1.47m用いた。この EDF の分散の値は𝛽2 =−0.02 ps2 /mである。また、モード同期レーザーに用いた PANDA ファイバー

図 6. 共振器の分散値とスペクトルの波長 1530 nm における分散の値はの関係

𝛽2 = −0.022 ps 2 /mである。図 3 に示したように共振器を構成し、NRPS を調

また、この実験において 1 次と 2 次整したところモード同期を得ることがのケリーサイドバンド間隔の変化を分出来た。このモード同期レーザーから散に対してプロットすると次の図 7 の出力される光パルスの時間波形を図 4、ようになった。

光スペクトルを図 5 に示す。

図 4.光パルスの時間波形

図 7.分散とケリーサイドバンド間隔の対応
今後は今回の実験で得られた結果をもとに、宇宙環境試験においてスペクトルの変化を取得し、被曝による分散への影響の評価を行う予定である。

図 5.得られた光スペクトル
このモード同期レーザーに対し、

4.

マイクロ波発生用ストレッチパルス動作
Figure-8 モード同期レーザーの開発

SMF のカットを行うことで分散を変化

本章では光周波数コム化に向け、ストさせ、これに対するスペクトルの変化

レッチパルス動作を行う Figure-8 モード同期レーザーを作成し、これに対してマイクロ波基準を用いて共振器長の安定化制御を行い、繰り返し周波数の安定化を行う。
作成したストレッチパルスモード同期レーザーの概略図、光スペクトル、RFスペクトルを図 8,9 に示す。

図 11. 安定化制御時の𝑓𝑟𝑒𝑝 変動(3 時間)

5.

まとめと展望宇宙環境試験に向け、NALM を用いた Figure-8 ソリトンモード同期レーザーを作成し異常分散ファイバー長の変

図 8.作成したモード同期レーザーの更によって分散量と共振器長が変化し概略図た際の、スペクトルの変化の様子を取得した。今後は同レーザーに対して宇宙環境試験を行い、放射線暴露に対するスペクトルの変化を取得して、今回の実験結果と対比することで放射線の共振器への影響を調査する予定である。また、同様に NALM を用いた

図 9.得られた光スペクトル

Figure-8 ストレッチパルスモード同期レーザーを作成し、パルス繰り返し周

このモード同期レーザーに対し、図 10

波数𝑓𝑟𝑒𝑝 の安定化制御を行い、ロックに示すような制御系を用いて繰り返し状態を 5 分間以上維持することに成功

周波数の安定化を行ったところ、図 11

した。今後は制御回路の最適化を行に示すようにパルス繰り返し周波数をい、𝑓𝑟𝑒𝑝 ゆらぎのさらなる抑制と、基2 時間半程度、マイクロ波周波数基準準周波数に対する定常偏差の解消を予にロックすることが出来た。

定している。制御系の設計が完了した
後は、光領域周波数基準である狭線幅レーザーを用いて、ビート周波数の安定化を行う。

図 10. 繰り返し周波数安定化の制御系