光コムのパルスタイミングジッタ検出器の開発
電子工学科

1. 序論

植田研究室 HADI KUSUMA

発振側

利用者側

電子銃

アンジュレータ

線形加速器

自由電子

放射光

X線レーザー

図 1. XFEL 発生装置の概略図

2. 原理
2.1

光周波数コム本研究では信号伝送には周波数コムというものを用いた。光周波数コムとは、時間軸上では超短パルスが一定時間間隔で並んだものであり、周波数軸上では発振モードが一定間隔で並んだものである。光周波数コムの特徴は高周波信号（RF 信号）と光パルスを同時に伝送できる点である。図 2 は横軸を周波数で見た光周波数コムを表している。図 3 は横軸を時間で見た光周波数コムを表している。これよりわかるように周波数領域では縦モード間のビートとして高周波を伝送できる。また、時間領域ではパルスタイ光出力強度ミングをクロックとして伝送することができる。

frep

光周波数 f

図 2. 周波数領域で見た光コム

光出力強度

自然現象や生命活動は原子や分子の並び方や動き、そしてこれらの集まりの中での電子の動きにその源がある。原子や分子の配列と動きや、電子の動きを観ることができれば、難病の原因解明と新薬の創出など、私たちの生活の向上に大きく役立つと期待を寄せている。このナノメートルの世界を観るためにはナノメートル以下の波長の光、すなわち X 線が必要となる。そこで考えられたのは X 線レーザーである。レーザーは位相の揃ったコヒーレントな光を発生するため、X 線レーザーが実現すれば原子や分子の瞬間的な動きを観察することができると考えられる。現在、兵庫県佐用郡にある大型放射光施設・SACLA サイト内において、この技術を用いた X 線自由電子レーザー（XFEL）の施設が2006 年に建設が始まり、2011 年 2 月に完成された。
XFEL の発生装置は電子銃、線形加速器、アンジュレータ（永久磁石列）の３つの部分に分けられる。安定に XFEL を発生させるには加速器のタイミング・高周波を 100 fs 以下の時間精度で同期させる必要がある。また、利用者においてポンプ・プローブ実験のように時間精度が必要な実験を行う場合にも電子銃と観測装置とを 100 fs 以下の精度で同期させる必要がある。
この時求められるパルスの timing jitter は 50 fs以下となっている。そこで本研究では、RF 信号とパルスタイミングを同時に伝送できる光コムを用いて光ファイバーの伝送システムを開発し、ファイバー長の揺らぎに起因する RF 位相揺らぎと timing jitter を評価した。しかし、timingjitter の測定器である相互相関計には測定限界があることがわかったため、相関計自体を改善する必要がある。具体的には光周波数コムの光源により短期安定度の高い光源を使用することで SN 比を上げることができると考えられる。
また、測定系全体の安定性を上げることによって、機械的安定性と長期安定度の高い相関計が得られる。相互相関計の測定限界を向上させることが目的とした。


図 3. 時間領域で見た光コム

1

時間 t2.2

3. 実験と結果非線形光学結晶

3.1

非線形光学結晶とはレーザーのような強い光光源に対する物質の非線形な応答を利用し、光の周本研究では、光源には我々の研究室で製作さ波数変換（高調波発生）や光パラメトリック発れた波長 1560 nm のエルビウムドープファイ振を行うために使用される光学結晶である。こバーを用いたモード同期レーザー光コムを使用のため、波長変換結晶と呼ばれる場合もある。

した。このレーザーはスペクトルの半値全幅光の周波数変換には和周波発生（ 1  2  3 ）17.5 nm、フーリエ限界パルス幅が 464 fs の超に代表される高調波発生、その他に差周波発生短パルスが発生し、繰り返し周波数 54.7 MHz（ 1  2  3 ） や 光 パ ラ メ ト リ ッ ク 発 振である。図 5 はそのエルビウム添加ファイバー（ 1  2  3 ）などがある。

を用いたモード同期レーザー光コムの概略図を

本研究では、HC Photonics 社製の PPLN示す。

（Periodically Poled LiNbO3＝周期分極反転二976nmLD

Oscillator length : 3.65m
PSI(Polarization Sensitive isolator)オブ酸リチウム）結晶を用いた。PPLN には 2種類があり、バルク型と導波路型である。バル励起光

ク型 PPLN は高出力と大きな開口部という利点

WDMCoupler

Output Coupler(980nm-1550nm)(10%)

OSAがあるのに対して導波路型 PPLN は緊密に長距
3dBCoupler

離にわたってレーザー光を閉じ込めることによPII(Polarization Insensitive Isolator)

り、非線形効率を高めることができるという利λ/2 wave plate点がある。今回は本実験ではバルク型の PPLN

Polarization plate

Oscilloscope

λ/4 wave plateを用いて第二高調波発生の実験を行った。結晶長は 10 mm、断面は 1 mm ×3 mm の長方形を

図 5. モード同期レーザー光コムの概略図成している。第二高調波の出力は基本波のパワーの 2 乗に比例するため、結晶中に効率よく単3.2第二高調波発生一偏光レーザーを入射させる必要がある。また、実験手順はまず、モード同期レーザーのビーバルク型ではレーザー光が回折されて第二高調ムをコリメートレンズで平行光に直した後、円偏光の光を  2 板と  4 板を用いて単一 S 偏光波のパワーは焦点条件と結晶の光学特性に依存する。そのため、ビーム径の絞り込みが重要なにした。その後、 f  100 のレンズで集光させ要素となる。図 4 は PPLN の構造を示す。て、PPLN 結晶に入射させることで SHG を発生させ波長 780 nm の光が出るようにした。この時に基本波の 1560 nm の光が残るため、ダイクロイック・ミラーを用いて反射することにより取り除いた。このときに発生した SHG の光はスペクトルアナライザを用いて観測した。
1560 nmf = 100PPLN

モード同期レーザー

温調λ/ 2

図 4. PPLN の構想図

λ/ 4780 nm
ﾀﾞｲｸﾛｲｯｸ
ミラー

図 6. 第二高調波発生実験系
2スペクトルアナライザ

スペクトルアナライザを用いて発生した第二計測光

高調波のスペクトルを測定した結果は 図 7 に示す。

HM-30

2

4

SHG-40delay

f=100-35

intensity (dBm)c.c.1

HMPPLNSHG




-45

2
4

pinhole-50

c.c.2-55763.0

delay
765.0

767.0

769.0771.0

参照光
PMT

wavelength (nm)図 7. SHG のスペクトル

図 9. 相互相関計の概略図

図 7 より発生した第二高調波が中心波長 7673.4nm で基本波の波長 1560 nm よりも短波長の方相互相関計の評価

次は図 9 を用いて相互相関計自体の timing
jitter の測定原理を説明する。
光源には 1560 nmにあることがわかった。のモード同期レーザー光コムを用いた。まずは
3.3光源を 3 dB カプラーを用いて参照光と計測光

相互相関計の製作

これまでに植田研究室で製作されたタイミンに分けた。その後は図 9 に示すようにそれぞれグジッタの測定器である相互相関計は systemの光を実験系に通して非同軸で PPLN 結晶に入noise floor の測定限界で制限されていることが射させることで第二高調波（SHG）を起こし、わかった。本研究では、相互相関計を改善するそれを光電子増倍管で観測した。この時、corner

ため、具体的には光周波数コムの光源により短cube 2 を掃引することにより、delay time を変期安定度の高い光源を使用することにより、SN化させ delay time に対して相互相関波形を得る比を上げることができると考えられる。また、ことができる。さらに corner cube 1 を動かすこ

測定系全体の安定性を上げることによって、よとによって参照光の delay を調整し、最初のパり機械的安定性と長期安定度の高い相関計が得ルスに対して得られるパルス波形が半パルスずられると考えられる。図 8 と図 9 は実際に相互れて現れるようにする。この状態で、得られる相関計を設計して製作したものとその概略図を2 つの相関波形 を電気的に差し引きすることに示す。

より timing jitter の弁別曲線が得られる。この弁別曲線の 0 点付近での揺らぎを観測することによりリアルタイムで timing jitter を測定することが可能となり、相関計自体の揺らぎに起因する timing jitter を電気的に得ることができる。
今回の実験で得られた弁別曲線よりその 0 点付近を 1 時間ほどにわたって観察した電圧変化を表す時系列信号は図 10 に示す。
図 8. 製作した相互相関計34.

40

まとめと今後の課題
本研究では、これまでに製作された相互相関timing jitter (fs)

20計の測定限界を向上させるために相互相関計を設計して再構築した。実験結果より今回の相互0相関計自体の timing jitter は平均時間 10 s 以上
では 10 fs 以下になったことがわかった。これ-20までの結果と比較したところ、今回の system
noise floor がより抑制されていて相互相関計の-40測定限界が向上されたと考えられる。その要因としては、一つ目は今回用いた光源であるモー-60
0500

1000

1500

2000

2500

3000

ド同期レーザー光コムのパルス幅が以前用いた

time (s)EOM 型光コムに比べ、1/3 ほど狭いため得られ

図 10. 時系列信号た弁別曲線の傾きが鋭くなり、SN 比が上がっ
図 11 は timing jitter のアラン分散の比較を示たと考えられる。また、今回は測定系全体を改す。青点はこれまでに製作された相互相関計の善することにより機械的安定性が向上され、さsystem noise floor を示す。緑点はこれまでに行らに長期的安定性にもつながったと考えられる。

った RF 位相揺らぎの測定結果より得られた測したがって、相関計の測定限界を向上させるこ定限界の予測値を表しているものである。赤点とができ、timing jitter 測定用としてより正確は今回再設計して製作した相互相関計のな評価が可能になったと考えられる。

system noise floor を示す。この図より今回の製本研究では、XFEL の運用を目的とするため作した相互相関計はこれまでに製作された相関実際に EOM 型光コムを使用しなければならな計より測定限界が向上されたことがわかる。まい。EOM 型光コムの繰り返し周波数は 5.712

た、予測したものよりも一桁以上 system noiseGHz であり、この高周波の目的は実際に加速器floor が低下し、きちんとしたパルスタイミングを同期するためである。一方、モード同期レージッタの評価が可能と期待される。

ザー光コムの持っている繰り返し周波数は 54MHz であるため、timing jitter 測定用のみにし102か使用できないことがわかった。今後の課題とtiming jitter (fs)

しては我々の研究室で開発された安定化ファイバーと光源に EOM 型光コムを用いて、今回製101作した相互相関計で timing jitter 測定実験を行う必要がある。

1005. 参考文献

青：これまでの結果
緑：予測値
赤：今回の結果
10-1
100

101

J.Kim, L.Chen, Z.Zhang, F.N.C.Wong, andF.X.Kärtner, “Long-term femtosecond timing
102link103

stabilization

using

a

single-crystal

balanced cross correlator,” OPTICS LETTERS,

averaging time (s)図 11. timing jitter のアラン分散

Vol.32,No. 9, 1044-1046 (2007)4