外部共振器型半導体レーザー線幅の電流ノイズの影響評価
岩國研究室

⼭⼝ 朋華

1. 研究の背景と⽬的ザー発振する. ここで, 隣接する縦モード分光学は原⼦や分⼦の内部構造を解明し,の共振周波数間隔 FSR は, 共振器⻑を L と物理学, 化学, 天⽂学など様々な分野に寄して与してきた. 1960 年にレーザーが誕⽣する

𝑣!"# =と, ⾼い周波数安定度を持つことから精密

𝑐2𝐿

(1)

分光に必要な道具として研究されてきた.

として表せられる. ⼲渉縞の鋭さ（フィネ近年, 安価かつ狭線幅な波⻑可変レーザース）は FSR と線幅の⽐で, 共振器の半値全である外部共振器型半導体レーザーの登場

幅∆𝑣を⽤いて,によって, ⽐較的⼿軽にレーザー分光が⾏
𝐹=えるようになった.
本研究では, 外部共振器型半導体レーザ

𝜋√𝑅𝑣!"#=1−𝑅∆𝑣(2)と表す.

ーの線幅への電流ノイズの影響を評価す

⾼ノイズの LD ドライバーを⽤意し, それぞれの電流ノイズを測定した. そして外部共振器型半導体レーザーと狭線幅な光コム

32Intensity

る. そこで, 低ノイズの LD ドライバーと(a)ECDL cavity(b)LD cavity(c)Grating(d)Diode gain

∆𝑣

𝑣_𝐹𝑆𝑅

1のビート信号を測定することによって線幅を測定し, 電流ノイズの影響を観察した.
ここで狭線幅な光コムは狭線幅な Nd:YAG
レーザーに光コムを位相同期することで得た.

2. 外部共振器型半導体レーザー
半導体レーザーは, 劈開⾯でフレネル反射をしてレーザー発振し, ⼆つの劈開⾯が共振器の役割を果たすため, 共振器⻑が数mm と⾮常に短い. 図１は発振周波数の選択の原理を⽰す. 半導体レーザーの利得スペクトル(図１(d))と半導体レーザーの縦モード(図１(b))が重なったところでレー005Wavelength10152025

図１ 発振周波数の選択
LD の外部で共振器を組み共振器⻑を伸ばすと FSR が⼩さくなる. フィネスは⼀定とすると線幅は(2)式より図１(a)のように細くなる. しかし, 利得のスペクトルの中に発振しうる縦モードが多く含まれ, マルチモード発振する恐れがある. そこで回折格⼦（図１(c)）で⼀つ縦モードだけ損失を少なくし, ⼀つのモードだけで発振させる.
この LD の外部で共振器を組んだレーザー

を外部共振器型半導体レーザー(ECDL)と3. 2.

LD ドライバーの電流ノイズ測定

いう.

電流ノイズの⼤きさが異なる２台の LD半導体レーザーのスペクトル線幅は周波ドライバーを⽤意し, これらの電流ノイズ数雑⾳に起因する. ⾃然放出によって⽣じを測定した. 図３は電流ノイズ測定の概要

るレーザーの周波数揺らぎ∆𝑣$ は, シャウ

図を⽰す.

ロー・タウンズの式で表される[1].
∆𝑣$ = (∆𝑣)%

2𝜋ℎ𝑣$𝑃(3)

ここで, ∆𝑣は共振器の半値全幅, 𝑣$ はレーザーの発振周波数である. 今回の研究で使

図３ 電流ノイズ測定の概要図⽤したレーザーの共振器⻑は𝐿 = 25 mm,電流を電圧に変換するため測定回路に抵

𝑅 = 0.3なので, 式(3)より共振器の半値全抗を⼊れ, ハイパスフィルターにより直流幅は2.8 GHzとなる. したがって,𝑣$ = 200成分を除き, オペアンプで交流成分の信号THz, 𝑃 = 10 mWとすると∆𝑣$ = 0.64 kHzを増幅させた. 測定回路の負荷抵抗は5 Ω,となる. ⼀般に ECDL の線幅を測定するとオペアンプゲインは 2000 倍である. 電流

数百 kHz〜数 MHz で, この量⼦限界の線ノイズは低周波での影響が考えられるの幅の値より⼤きい. その原因は, ⾳響ノイで, 帯域幅 1 MHz, 分解能10 Hzとした. サズや電流ノイズによる影響が考えられる.

ンプリング周波数はナイキスト条件から 2

そこで本研究では, ⾳響ノイズは ECDL をMHz, １秒間あたりのデータ数は(4)式か箱詰して遮断し, またペルチェ素⼦によるら求められ, 2 × 10& 個とした.

温度制御, ゲインチップの温度制御を⾏った. 図２は箱詰めした ECDL を⽰す.このデータ数 =サンプリングレート
分解能

(4)

ECDL と光コムのビート信号を測定し, 線２台の LD ドライバーに電流 100 mA を流幅の電流ノイズによる影響を評価した.

して電流ノイズを測定した. その結果を図４に⽰す. 図４より, 電流ノイズが低ノイズ LD ドライバーの⽅が 100 Hz から 200
kHz の測定において１桁ほど⼩さく測定限界以下となった.また, ⾃作したケーブルはシールドが少なくノイズが乗ることが考えられたので, 接続するケーブルによる電流ノイズの違いを評価した. 測定結果を図５

図２ 箱詰めした ECDLに⽰す. ケーブルの違いによって電流ノイズに⼤きな差は⽣じなかった.

2-2-2.

光コムを⽤いた線幅測定

1E-09波⻑ 1064 nm の Nd:YAG レーザーは, 固Current Noise [A/√Hz]

LDドライバー①LDドライバー②1E-10

有レーザーノイズが低く, 狭いスペクトル測定限界線幅を持つ. この Nd:YAG レーザーに光コ
1E-11

ムの１モードを位相同期して狭線幅化し,

1E-12
1.E+01

同時に𝑓-./ ラジオ周波数領域の基準信号に
1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

1.E+06Frequency [Hz]図４ 電流ノイズの⽐較(LD ドライバー)

位相同期することで光コムの全てのモードが狭線幅化される[3].
図７は ECDL の線幅測定の概要図を⽰す.

1E-10[A/√Hz]
Current Noise

ECDL の周波数𝑓.-01 に最も近い光コムの周

市販ケーブル
⾃作ケーブル.-01
波数𝑓*+23 と𝑓.-01 のビート信号𝑓4(56を受光

1E-11器で検出する.
𝐼(𝑓)

1E-12
1.E+011.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05𝑓!"#$

1.E+06Frequency [Hz]𝑓!"#

図５ 電流ノイズ評価(ケーブル)2-1.

線幅測定の原理

2-2-1.

光コム

𝑓'()

0 Hz

光コムの出⼒は, 等時間間隔で並んだ光パルス列である. 図６は周波数領域の光コムの出⼒を⽰す[2].

𝑓"!*+図７ 線幅測定の原理
光コムと ECDL の周波数ゆらぎをそれぞ𝐼(𝑓)れ∆𝑣*+24 , ∆𝑣.-01 とすると, 受光器で検出.-01される線幅∆𝑣4(56は.-01∆𝑣4(56= ∆𝑣*+24 + ∆𝑣.-01

𝑓!"#となる. このとき, 光コムの線幅が ECDL
Hzの線幅より⾮常に⼩さければ（∆𝑣*+24 ≪𝑓$%&∆𝑣.-01 ）,図 6 光コム.-01∆𝑣4(56= ∆𝑣.-01縦モードの間隔を繰り返し周波数𝑓'() , 光コムを仮想的に 0 Hz まで拡張した時のあとなる.

まりの周波数はキャリアエンベロープ周波

図８は線幅測定の光学系のセットアップ

数𝑓*(+ として, n 番⽬のモード周波数𝑓, は,を⽰す. 光コムと ECDL のレーザーを 7：3

𝑓, = 𝑓-./ + 𝑛𝑓'()と表せる.

(5)のファイバーカプラで光軸を揃えた. 回折格⼦で波⻑選択し集光レンズで集光して受3.

光器で検出した.

まとめと今後の展望

電流ノイズが⼤きい LD ドライバーと⼩()*𝑓$%&'𝑓!"#

さい LD ドライバーで ECDL を駆動した70%場合の線幅は, 数 100 kHz から 100 kHz 以30%下に⼩さくなった.
電流ノイズが⼤きい LD ドライバーで駆動した場合の線幅はジッターノイズが多く, 今回の測定⽅法では, 線幅を正確に測図 8 線幅測定の実験系れなかった. 今後は, より定量的にノイズ

Normalized signalの評価を⾏うために, ビート信号の周波数ノイズ成分の測定を⾏う.

4.

参考⽂献

[1] Sebastian D. Saliba and Robert E. Scholten,
RF[MHz]“Linewidths below 100 kHz with external
cavity diode lasers,” Doc. ID 118174 (2009).

図９ 線幅測定結果[2]

StevenT.

CundiffandJunYe,

図９は測定したビート信号を⽰す. ここ“Colloquium: Femtosecond optical frequency

で分解能帯域幅(RBW)は 30 kHz, 掃引時間

combs,” Rev. Mod. Phys. 75, (2003).

は 7 ms に設定した. ビート信号の半値全幅[3] H. Inaba, K. Hosaka, M. Yasuda, Y.

をグラフから読み取り, 低ノイズの LD ドNakajima, K. Iwakuni, D. Akamatsu, S. Okubo,ライバーで駆動した場合の線幅は, 100 kHz

T.

以下となった. Nd:YAG レーザーに位相同“Spectroscopy of 171Yb in an optical lattice

期 し た 光 コ ム の 線 幅 は 数 kHz な の で

based on laser linewidth transfer using a∆𝑣*+24 ≪ ∆𝑣.-01 が満たされ, この線幅はnarrow linewidth frequency comb,” Opt.

ECDL の線幅とみなすことができる. 電流

Express, 21 (7), 7891-7896 (2013).

ノイズが⼤きい LD ドライバーで駆動した
場合の線幅は数 100 kHz となり, 電流ノイズが⼩さい LD ドライバーを駆動した場合の線幅の⽅が, 狭線幅になる.

Kohno,A.

OnaeandFL.

Hong,