広帯域光周波数基準の開発と評価  武者研究室   村井   陵輔    1.   研究背景  築する場合においては、スペーサーやミ      レーザー光は⽩白⾊色光源などと⽐比較

ラーのコーティングの熱雑⾳音限界に由来し、時間的・空間的ともにコヒーレントする数値である。

な光である。そのため、単⾊色性、指向性   また、周波数基準レーザーと被評価レに優れるという特徴を有する。この特徴

ーザーの発振周波数が⼤大きく離れていてをさらに追求し、単⾊色性を⾼高める制御をは、ヘテロダインビートをマイクロ波周施し、発振周波数を安定化したレーザー波数領域に落とし込むことはできない。

は、周波数安定化レーザーと呼ばれる。

すなわち、1 つの周波数基準レーザーで   周波数安定化レーザーは、計測分野で評価できるのは、その近傍の波⻑⾧長のレー応⽤用されるが、周波数安定化レーザーをザーのみとなる。任意の波⻑⾧長のレーザー

他レーザー光源の周波数安定化・周波数の評価には、周波数基準レーザーが複数安定度評価に⽤用いる場合においては、評台必要となる。しかし、前述の通り、そ価対象となる光源と同程度か、それ以上のような⾼高い周波数安定度を持つ光源の周波数安定度が必要となる。これは、を、評価波⻑⾧長ごとに複数構築するのは、周波数基準となるレーザーと評価対象の⾮非常に困難かつ⾼高コストである。

レーザー2 台の光源のヘテロダインビー   この課題を解決するため、本研究でトとして、光周波数領域の情報をマイクは、まず、周波数基準レーザーとして、ロ波周波数領域に落とし込み、フォトデ線幅を極限まで狭窄化した超狭線幅光源ィテクターなどの検出器で信号の検出をの開発を⾏行う。そして、モード同期レー⾏行うためである。この時、検出される信ザーから発⽣生される光周波数コムの全縦号は周波数安定度の低いレーザーの周波モードに、超狭線幅光源の周波数安定度数揺らぎが⽀支配的となる。従って、周波を移乗した、広帯域光周波数基準の開発

数基準レーザーの周波数安定度の更なるを⽬目的とする。広帯域光周波数基準は、向上は、重要な課題となっている。具体

ひとつの光源で様々な波⻑⾧長の周波数基準的な要求値は、観測帯域 1 Hz においてレーザーとして代⽤用できる。さらに、広絶対周波数に対する周波数揺らぎが 10-15帯域光周波数基準を、ファイバーにより以下である。この値は、光共振器を周波精密に伝送することで、他の研究室の光数基準として周波数安定化レーザーを構源評価に利⽤用することも可能となる。  

1  2.   超狭線幅光源の開発

る。光共振器の透過光は PD2 で検出さ      本研究では、広帯域光周波数基準のれ、反射光は再び𝜆/4板を透過すること開発を⽬目標としているが、そのための光により S 偏光となり、PBS で反射さ領域の基準周波数となる光源開発が最初れ、PD1 で検出される。検出された電気のステップとなる。この基準となるレー信号はアンプにより増幅され、LO の復ザーは発振線幅 1 Hz を⽬目標値としてい調信号と DBM で乗算された後、LPF でるため、超狭線幅光源と呼ぶ。図 2.1 に超⾼高周波成分を切り出され、サーボフィル狭線幅光源の実験系の全体図を⽰示す。

ターへ⼊入⼒力される。サーボフィルターで最適化された信号は、LD の定電流源のモジュレーション端⼦子及びゲインチップに直接⼊入⼒力され、電流値を変化することにより、発振周波数の最適化を⾏行っている。

Frequency noise [Hz/√Hz]106

図 2.1. 超狭線幅光源実験セットアップ   図 2.1. に⽰示すように、この実験系は周波数基準部・光源部・信号取得部からFree running
Locked103

01010-3100なる。まず、光源部の発振波⻑⾧長 1562 nm

101の外部共振器型半導体レーザーの出⼒力は、10 dB カプラーにより 1:9 に分割さ102103104
Frequency [Hz]105106

図 2.1. 周波数雑⾳音スペクトルれる。ここで 9 割の出⼒力が光周波数コムとの位相同期実験系に送られる。残りの   図 2.1 は周波数安定化を施した際の誤1 割は電気光学変調器（Electro Optical

差信号の周波数雑⾳音スペクトルである。

Modulator: EOM）で 15 MHz の位相変⻘青線の無制御時に対し、⾚赤線の制御時は調を受けた後、Polarizing Beam

1Hz における周波数雑⾳音を0.1	  Hz/ HzまSplitter（PBS）に⼊入射する。PBS によで抑制していることが確認できる。しかり S 偏光の光は全て捨てられ、P 偏光のし、現状は地震の影響によりこの結果をみ透過する。その後、𝜆/4板を透過し、再現できておらず、制御回路の最適化が真空チャンバー内の光共振器へと⼊入射す必要である。  

2  3.   光周波数コムの周波数安定化必要がある。図 3.2 に広帯域光周波数基

3.1. 光周波数コム

準の実験セットアップを⽰示す。   光周波数コムとは、周波数軸上に等間隔に複数の縦モードが並び、その縦モード 1 本 1 本の周波数が確定しているものである。従って、光周波数コムの周波数安定化を⾏行うことで、広帯域光周波数基準の開発が可能となる。光周波数コムの概念図を図 3.1 に⽰示す。

図 3.2. 広帯域光周波数基準実験セット
アップ   図 3.2 ⾚赤線部はモード同期レーザーの図 3.1. 光周波数コムの概念図

オシレーター部であり、⻘青線部は𝑓,-. の周波数安定化部、緑線部は𝑓/-0 の周波数安定   光周波数コムは、モード同期レーザー化部を⽰示している。次項より𝑓,-. の周波数から発⽣生される超短パルスをフーリエ変安定化部について述べる。

換することによって得られ、その性質から『光の物差し』と呼ばれる。光周波数

3.2. 𝑓,-. の周波数安定化

コムの縦モード列のうち、n 番⽬目の縦モ      𝑓,-. の周波数安定化のステップとしードを𝑓+ とすると、𝑓+ は、キャリアエンて、まず仮想的なオフセット周波数であベロープオフセット周波数𝑓,-. と各縦モ

る𝑓,-. を検出する必要がある。𝑓,-. の代表ード間隔である繰り返し周波数𝑓/-0 を⽤用的な検出⽅方法に f-2f ⼲干渉計を⽤用いた⾃自⼰己いて、参照法が存在し、本研究では⾃自⼰己参照法

𝑓+ 	   = 	   𝑓,-. 	   + 	  𝑛 ∙ 𝑓/-0          (3.1)

を⽤用いて𝑓,-. を検出した。⾃自⼰己参照法は、と表される。
（3.1）式からわかるように、スペクトルが 1 オクターブ以上拡がった

光周波数コムの周波数は、オフセット周

ス ー パ ー コ ン テ ィ ニ ウ ム （ Super

波数𝑓,-. と繰り返し周波数𝑓/-0 の 2 つのパ

Continuum: SC）光に対し適⽤用できる⼿手ラメータで決定される。すなわち、光周波法である。SC 光の⻑⾧長波⻑⾧長側の n 番⽬目の縦数コムの周波数安定化を⾏行うには、𝑓,-. とモード周波数は（3.1）式より、𝑓+ 	   = 	   𝑓,-. +𝑓/-0 それぞれに対し、周波数安定化を施す

𝑛 ∙ 𝑓/-0 と記述される。ここで、⻑⾧長波⻑⾧長側の  3  第 ⼆二 ⾼高 調 波 （ SecondHarmonicHNLF）を透過することにより、⾃自⼰己位

Generation: SHG）を発⽣生させると、その相変調、交差位相変調、誘導ラマン散周波数は2𝑓𝑛	   = 	  2(𝑓,-. + 𝑛 ∙ 𝑓/-0 )となる。

乱、四光波混合などの⾮非線形光学効果に

ここで、基本波の短波⻑⾧長側の縦モード周よりスペクトルが拡がる。HNLF は 、波数を𝑓9 とすると SHG と重なる部分で通常のシングルモードファイバーに⽐比のビート信号𝑓:-;< は、べ、コアとクラッドの屈折率差と、⾮非線𝑓:-;< 	   = 	  2(𝑓,-. + 𝑛 ∙ 𝑓/-0 )形屈折率が⼤大きく、それに伴う⾮非線形係− 𝑓,-. + 𝑚 ∙ 𝑓/-0数も⼤大きいファイバーである。そのた= 𝑓,-. + 2𝑛 − 𝑚 𝑓/-0          (3.2)

め、上述の⾮非線形光学効果が起こりやすと記述できる。(3.2)式の第 2 項である𝑓/-0い。HNLF により、1 オクターブ拡がっの定数倍の信号を電気的フィルターで切た SC 光は、⾃自由空間に出射し、λ/4り落とせば、𝑓,-. のみを検出できる。

板、λ/2 板を通り、⾮非線形結晶の 1 つである Periodically Poled LithiumNiobate（PPLN）に⼊入射する。PPLNは⾮非線形光学効果により、⼊入射した SC
光の⻑⾧長波⻑⾧長側である 2 µμmの光の SHGを発⽣生させる媒質である。SHG の変換波⻑⾧長域は 1925 nm から 2250 nm であ

図 3.3. f-2f ⼲干渉計実験セットアップ

る。発⽣生した SHG と基本波は、PD 受光時のショット雑⾳音を低減するため光バ   図 3.3 は、図 3.2 ⻘青線部内に⽰示す f-2f

ンドパスフィルターを透過したのち、⼲干渉計部分を詳細に⽰示したものである。

PD でビート信号として検出される。検図 3.5 を⽤用いて f-2f ⼲干渉計の説明を⾏行

出した𝑓,-. は、RF 領域の信号であるたう。まず、オシレーターからの出⼒力は 3め、電気信号として制御できる。𝑓,-.

dB カプラーにより 2 つに分けられ、そは、基準信号である Rb 原⼦子時計に安定のうちの⼀一⽅方を𝑓,-. の周波数安定化部に化されたシンセサイザーからの信号との⼊入射する。その出⼒力は、波⻑⾧長 976 nm の位相差を PFD により電圧差として出⼒力

LD をポンプ光とした、後⽅方励起型 Er-され、制御回路によってフィルタリング

doped Fiber Amplifier（EDFA）に⼊入射した後、モード同期レーザーの励起 LDすることによって出⼒力が増幅される。  に接続されている定電流源のモジュレー増幅されたパルスは、その直後の⾼高⾮非線ション端⼦子及び LD のゲインチップに直形ファイバー（High Nonlinear Fiber:接フィードバックすることにより制御す  4  る。図 3.5 に制御時の𝑓,-. の周波数安定準に対し位相同期することにより⾏行っ度のアラン分散を⽰示す。

た。周波数安定化時のビート信号のスペクトルを図 3.6 に⽰示す。

-21010-12-41010-13

10-5-6-14101010-710-15

10-8Locked
Free running-91010-10
100

101

102

10-16-20-30Signal [dBm]root allan deviation (∆f/f)@20 MHz

10root allan deviation (∆f/f)@193 THz-310-17103-40-50-60

Averaging time [s]-70
9.6 106

図 3.5. 𝑓,-. の周波数安定度のアラン分散

9.9 106

10.2 10610.5 106

Frequency [Hz]図 3.5 において、左側の縦軸はマイクロ

図 3.6. 周波数安定化時のビート信号の波領域での周波数安定度、右側の縦軸はスペクトル光領域に換算した場合の周波数安定度をそれぞれ表す。制御時は無制御時に対し制御帯域は約 200  kHz であり、キャリアて 1 sec での周波数安定度が 2 桁程度良の SN ⽐比は約 30  dB 程度で、⽬目標達成にく、光領域の周波数に換算した場合の安⼗十分な値を得られた。

定度は 1 sec で 10-14 に達している。しか10-5し、⽬目標値である 10-15@1 sec にはあと

f_ceo free running
f_ceo locked

root allan deviation (∆f/f)

⼀一桁⾜足りていないことが確認できる。
3.3. 𝑓/-0 の周波数安定化   （3.1）式の通り、光周波数コムの周波数安定化にあたり、𝑓,-. に続き、もう 1 つ

10-610-710-8のパラメータである𝑓/-0 の周波数安定化
10-9100が必要である。本項では、ECLD による𝑓/-0 の周波数安定化について述べる。

101102103

Averaging time [s]   𝑓/-0 の周波数安定化は、ECLD とその発振周波数の近傍の光周波数コムの縦モ

図 3.7. 𝑓,-. 、𝑓/-0 を同時に周波数安定化しードのビート信号をマイクロ波周波数基た際の𝑓/-0 の周波数安定度のアラン分散  5     図 3.7 に𝑓,-. 、𝑓/-0 を同時に周波数安定周波数に換算すると 10-14@1 sec となった化した際の𝑓/-0 の周波数安定度のアランが、⽬目標値にはあと 1 桁⾜足りないという分散を⽰示す。図 3.7 から、𝑓/-0 の周波数結果となった。従って、今後さらなる制御安定度において短期的には ECLD の周回路の⾒見直しが必要であると考えられる。

波数揺らぎが⽀支配的であり、⻑⾧長期的には   また、𝑓/-0 に関しては、光領域の周波数𝑓,-. の揺らぎが⽀支配的だと考えられる。

基準として ECLD を⽤用いて周波数安定化を⾏行った。その時の周波数安定度のアラ

4.   結論

ン分散は10AD オーダーであり、無制御時   本研究は光周波数コムの𝑓,-. および𝑓/-0の⽅方が、安定度が⼀一桁良いという結果との周波数安定化を施すことによって、1 秒なった。これは𝑓/-0 の周波数安定度が、無で10ABC という周波数安定度を有する広制御の ECLD の周波数安定度にリミット

帯域光周波数基準の開発を⽬目標とし、実されていることを⽰示している。

験を⾏行った。そのために、まず光領域の周   さらに、𝑓/-0 の周波数安定度に対する波数基準である超狭線幅光源の開発を⾏行

𝑓,-. の周波数揺らぎの寄与を評価するたった。周波数安定化光源には波⻑⾧長 1562

め、𝑓,-. 及び𝑓/-0 の周波数安定化を同時に

nm の ECLD を⽤用いた。しかし、現状で⾏行った際の周波数安定度のアラン分散をは F.P.光共振器の共振周波数に ECLD の測定した。その結果、𝑓/-0 の周波数安定度発振周波数を周波数安定化できてはいる

において、𝑓,-. の周波数揺らぎは⻑⾧長期的安が、⼗十分な制御帯域を得られていないた定度に⼤大きく寄与していることが分かり、め、ECLD の周波数安定化時の評価は⾏行

短期的安定度は ECLD の周波数揺らぎがえていない。制御回路の最適化により制⽀支配的であることが確認できた。この結御帯域を拡⼤大し、周波数安定化時の評価果から、本研究の⽬目標達成に最も重要なを⾏行う必要がある。のは、広い制御帯域で ECLD を F.P.光共   次に、光周波数コムの𝑓,-. を⾃自⼰己参照法振器に周波数安定化させることことが必により検出し、検出した𝑓,-. の SN ⽐比を向要であると分かった。

上させるため、分散補償、HNLF の最適   今後の展望として、超狭線幅光源の制化を⾏行った。その結果、𝑓,-. の SN ⽐比は電御回路を最適化し、𝑓/-0 の周波数安定化

気的制御に必要な 30 dB まで向上した。

を⾏行い、広帯域光周波数基準を実⽤用化す

さらに、制御回路を設計し𝑓,-. の周波数安る。そして、広帯域光周波数基準を⽤用い定化を⾏行った。制御帯域は 200 kHz 以上、て、研究室で他のメンバーが開発を⾏行っ

キャリアの SN ⽐比は 25 dB へと向上した。ている1	  µμmヨウ素安定化レーザーの周波制御時の𝑓,-. の周波数安定度は光領域の数安定度評価を⾏行う。  

6