光ファイバと光周波数コムを用いた X 線自由電子レーザー用
高精度 RF・パルスタイミング伝送システムの開発
量子・物質工学専攻 植田研究室 流王登志雄
そのため最大5.712 GHzの RF 信号を分配し1. 背景
現在、兵庫県佐用郡にある大型放射光施なければならない。また、ポンプ・プロー

設・Spring-8 サイト内において、X 線自由ブ実験などの XFEL を用いた解析実験を行

電子レーザー（X-ray Free Electron Laser :う際には利用者が X 線レーザーの到達するXFEL）施設の建設が進行中である。本施タイミングを知る必要があるため、発生側設は低エミッタンス熱電子銃・C バンド電から利用者側にパルス幅100 fs以下の X 線子線形加速器・真空封止アンジュレータかレーザーの来るタイミングを伝達しなけれらなり、全長は約 700 m に及ぶ。本施設でばならない。このとき求められる要求値はは電子を 80 億電子ボルト（8 GeV）まで加RF 位相揺らぎが0.007 rad以下、パルスタイ速することで、最短波長0.06 nmの X 線レーミングの揺らぎ（以下タイミングジッター）ザーの発生を目指している。XFEL はこれが50 fs以下となっている。

までにない非常に強い光で超高速のパルス光であるため、原子や分子といった非常に微細なものが非常に早く変化する様子を連続的に観察できるようになると期待されて
図 2いる。

XFEL 概略図

2. 原理
2.1.

光周波数コム

今回は RF 信号とパルスタイミングを同時に伝送するため、伝送信号には光周波数
図 1

XFEL 完成予想図

コムを用いた。光周波数コムは周波数領域
では縦モード間のビートとして RF 信号をXFEL 発生装置は電子銃、線形加速器、伝送でき、時間領域ではパルスタイミングアンジュレータ（永久磁石列）の 3 つの部をクロックとして伝送できるためである。

分に分けられる。まず、電子銃から撃ち出した自由電子のバンチを複数の線形加速器で加速させ、アンジュレータに通すことで電子に制動輻射をかけ X 線レーザーを発生させる。この時、電子を効率よく加速させるためには各加速器間で動作用の高周波（RF）信号を同期させておく必要がある。

図 3 周波数領域で見た光周波数コム

図 4 時間領域で見た光周波数コム

図 6 ファイバ長安定化回路概略図

今回は株式会社光コムの位相変調型光周波のアセチレン安定化レーザーを用いた。ま数コム発生器（OFCG）を用いた。発生原ず光源から出た光は 3dB カプラーによって理は EOM（Electro Optic Modulator）に参照光と計測光に分けられる。計測光はより入射光に RF で位相変調をかけること1 kmの delay fiber を伝送し、終端に達し、により入射光の周波数を中心にサイドバン終端のファラデーローテータミラー（FRM）ドを生成し、ファブリ・ペロー共振器で増で偏光を 90 度回転させられ、伝送元に返さ幅することにより光周波数コムを生成する。

れる。この時、計測光は偏光が 90 度偏光回転しているためビームスプリッタで反射され、AOM（Acousto-Optic Modulator）によって55MHz の周波数シフトを受ける。この計測光と参照光で光ヘテロダインを行い55 MHzのビート信号を検出し、このビート信号をフォトディテクターで電気信号に変図 5

EOM を用いた光周波数コム発生換し、PFD（Phase Frequency Discriminator）に入れることによって位相変動の情報を検2.2.

ファイバ長安定化回路出できる。これをサーボ回路に通し、ファ光ファイバには光の高い周波数による高精イバストレッチャにフィードバックするこ

度伝送が可能で、電気的外乱に強く、電気とによってファイバの光路長を一定に保つ。

信号を電線で伝送するのに比べ、低減衰でこの光路長を制御したファイバに対して、長距離伝送が可能であるという長所がある

図の緑のラインで伝送信号を 3dB カプラー

反面、熱や振動に敏感でその影響が位相雑から入射し、伝送させて終端の 3dB カプラ音として現れるという欠点がある。そのたーから出射する。なお今回の実験では、光め、熱や振動によるファイバ長の変化を抑路長制御時ではファイバ長変化は20 μm以え、位相雑音を抑制するためにファイバ長下に抑えられた。

安定化回路を用いた。この回路は非対称マイケルソン干渉計を構成しており、光の位2.3.

相によりファイバの光路長を測定する。光

今回は光周波数コムというパルス光を伝送−11源には10の安定度を持つ波長1550 nm

分散シフトファイバ（DSF）信号として用いたが、パルス光をファイバで信号伝送システムを構築した。次に実験として、この伝送システムの評価を行った。

3. 実験(1) RF 位相揺らぎ測定
3.1.

実験方法

まず RF 位相揺らぎの測定を行った。実図 7

SHG 自己相関計

験系は図 9 に示す。に伝送させると群速度分散によりパルス幅が拡がるという現象が起こる。この影響を抑えるため今回は伝送ファイバには分散シフトファイバ（DSF）を用いた。今回は古河電工製の分散シフトファイバ（波長分散：±3.5 ps/km/nm @1525~1575nm）を用いた。この分散シフトファイバを評価する

図 9

RF 位相揺らぎ実験系概略図

ため SHG 自己相関計を自作し、delay fiberが 0 m、1 km のシングルモードファイバ最初に作製したファイバ長安定化回路を用（SMF）、800 m の分散シフトファイバをいて1 kmのファイバの光路長を一定に制御用いた場合において自己相関波形を観測し、した。このファイバに対して信号源から出パルス拡がりを調べた。その結果、分散シた5.712 GHzの基準となる RF 信号をのせた

フトファイバを用いた場合にはシングルモ光周波数コムを伝送した。光周波数コムはードファイバを用いた場合に比べパルス拡終端のフォトディテクターで電気信号に変がりを格段に抑えられ、パルス波形を保っ換され、この信号と基準信号を比較するこたまま信号伝送できることが分かった。とで RF 位相揺らぎを検出した。

この分散シフトファイバを 2.2 のファイバ長安定化回路の delay fiber に用いること

次に RF 位相揺らぎ検出計について説明する。測定計は図 10 に示す。

図 10

RF 位相揺らぎ測定計

測定計には高周波ミキサーを使った。高周
図 8 自己相関波形

波ミキサーには温度に敏感な部品を使って（赤：0 km、青：SMF1 km、緑：DSF800 m）いたため、温度調整装置を自作し、温度を一定に保った。図 10 に示したように、ミ

図 11 よりファイバ長制御時では非制御

キサーに基準信号とファイバを伝送してき時に比べて RF 位相がほぼ一定に保たれてた RF 信号が入ると内部のフェイズシフタいることが分かる。また XFEL で使用するにより、位相がπ 2ずれた二つの信号が検出ために RF 位相揺らぎの要求値が0.007 radされる。これらの信号を模式的に sin と cos以下となっているが、図 12 よりファイバの式で表すことで、tan の式から位相揺ら長制御時には要求値を満たす結果を得るこぎを求めた（式(1)）
。とができた。

tan φ t =φ t = tan−1

3.2.

4. Timing jitter 測定

sin φ ta=cos φ tbab4.1.
1

実験方法

次に timing jitter 測定を行った。実験系を図 13 に示す。

実験結果

測定結果を以下に示す（青：ファイバ長制御時、赤；ファイバ長非制御時）。

図 13timing jitter 測定実験系概略図

RF 位相揺らぎ測定と同様にファイバ長安定化回路を用い、光路長を一定に保ったファイバに対し光周波数コムを伝送し timingjitter を測定した。光周波数コムは3 dBカプ
図 11

RF 位相の時間変化

ラにより参照光と計測光に分けられ、計測光は制御されたファイバを伝送していき、終端の相互相関計で参照光との相互相関を取ることにより timing jitter を測定した。
なお今回の実験では 800 m の分散シフトフ
ァイバを用いた。
次に timing jitter 測定用相互相関計について説明する。相互相関計を図 14 に示す。
今回は二つの相互相関計を同時に用いた。
図 13 で説明した参照光と計測光は図 14

図 12RF 位相の時間変化のアラン分散に示すように伝送していき、非同軸でことができる。timing jitter は得られた弁別曲線から傾きを取り、測定した 0 点付近での電圧（V0 ）の変化のデータを用いることで(2)のような式から得た。

図 14相互相関計概略図

PPLN 結晶に入射する。このとき、二つのパルスが PPLN 結晶内で重なると重なったパルス幅の面積に応じた出力の SHG（第 2高調波発生）が起こる。この SH 光をフォトマルで観測し、それぞれの相関計から得られる信号を(a)、(b)と置いた。ここでコーナーキューブ１（C.C.1）を動かすことで図15 の上図のような相互相関波形を得る。ま

図 16

弁別曲線からの傾きの求め方

弁別曲線の傾き：a =timing jitter：τ = V0 ∙Vt1t= V0 ∙aV2

た、C.C.2 と C.C.3 を動かすことにより(a)また相関計上での温度による光路長の揺らと(b)の相関波形が半波形分だけずれるようぎを抑えるために、相関計全体を発泡スチに調整しておく。その状態で(a)、(b)を差しロールと段ボールで作った断熱シールドで引きすることにより、図 15 の下図のよう覆うことにより、温度を一定に保った。

な弁別曲線が得られる。この 0 点付近での電圧の揺らぎを見ることで、ファイバ長の揺らぎに起因する timing jitter を検出する

図 17

図 15

相関波形（上）と弁別曲線（下）相互相関計（写真）図 18

断熱シールド

4.2.

測定結果

制御時、青が制御時、赤が相関計自体の測測定結果を図 19 と図 20 に示す。

定限界、黄がファイバ長揺らぎ信号一定時の結果から求められる予測値となる。図 20より制御時の結果は相関計の測定限界で制限されていると考えられる。しかし、要求値が50 fs以下となり、平均時間10 s以上では制御時において要求値を満たす結果を得ることができた。

5. まとめ本研究では XFEL 用の RF・パルスタイ
図 19

ファイバ制御時の評価ミングの伝送システムの開発とその評価を行った。具体的には偏光を用いたファイバ長安定化回路を製作しファイバ長揺らぎを20 μm以下に制御し、信号伝送ファイバに分散シフトファイバを用いることでパルス拡がりを抑制した。そして完成した伝送シス
テム を用い て RF 位相揺ら ぎと timingjitter を測定した。その結果 RF 位相揺らぎ
では0.007 rad以下、timing jitter では平均時間10 s以上において50 fs以下という要求

図 20

timing jitter のアラン分散

図 19 はファイバ長制御時の timing jitter値を満たすことができた。

6. 今後の展望（赤）とファイバ長揺らぎ信号（青）を表

今回の結果より timing jitter は予測値よしたものである。ファイバ長揺らぎ信号がりより jitter を抑えることができると推測一定の時（ファイバ長が一定の時）にはされるが、相関計の測定限界で制限されてtiming jitter も一定に保たれていることがいることが分かった。そのため、光周波数分かる。また、約3000 sで制御を外すと、コムの光源により短期安定度の高い光源をファイバ長揺らぎ信号が大きく変動してフ使用することにより、ノイズレベルを下げァイバ長が変化していることが分かるが、ることができ、相関計の測定限界を下げらそれと同時に timing jitter も大きく変動しれるのではないかと考えられる。ており、この二つの信号には相関があることが分かる。

参考文献

また図 20 は timing jitter のアラン分散[1]M.Musha et al, Appl.Phys,B82,555-559(2006)を表したもので緑のラインがファイバ長非[2]J.Kim et al,Opt.Letter,32,9,1044-1046(2007)