波長 800nm のレーザーパルスのサブフェムト秒分解能を有する
バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）
概要
本稿では、800nm のパルスレーザー動作用に設計された光－マイクロ波方式の新型・位相検出器について報告する。本検出器は、位相変調器を備えた光ファイバ・サニャック干渉計に組み込まれたマイクロ波と光パルス列の間の電気光学サンプリング(Electro-Optic Sampling; EOS)に基づいている。タイミング分解能は 100Hz 以上のオフセット周波数に対して 0.01fs RMS を実現しており、1Hz – 1MHz 間で統合されたシステム全体のノイズフロアは 10fs RMS 未満であることも特長である。
＜はじめに＞
自由電子レーザー (FEL)、超高速電子線回折（UED）装置、極端光施設（ELI）といった光源施設で行われる現代の光と物質の相互作用の実験では、フェムト秒パルスレーザーを用いてマイクロ波源を同期する操作が必要である[1,2]。特にチタンサファイア（Ti：Sa）レーザーは、広帯域な利得スペクトルを持つために、波長可変光源として利用されているだけでなく、波長 800nm 付近の超短パルス発生光源としても用いられており、これらの光源施設において最も一般的な近赤外光源として用いられている[3]。それゆえ、このような「ユビキタス化」したレーザーを様々な光科学研究所のマイクロ波信号源に同期する上で、動作波長 800nm を有する光－マイクロ波信号間の高感度・位相検出器が必要不可欠なツールとなる。電気光学サンプリングは、マイクロ波信号－光パルス列間における相対位相雑音の抽出手法の中でも最も高精度であることが実証されているが [47]、これまで波長 800nm 帯での同期網の構築は、数少ない専門のレーザー研究所に限られていた[3,8]。
本稿では、1Hz から最大 1MHz のオフセット周波数で 10fs レベルの同期精度を保証する 800nmのパルスレーザー動作用に設計された新型の 光－マイクロ波位相検出器 について解説する。
＜動作原理＞
本検出器の動作原理は、差動バイアス方式で伝送する光ファイバ・サニャック干渉計（SGI） 及び光パルス光源の繰り返し周波数の半分の繰り返し周波数での同期検波の手法に基づいている。
この光学方式は、以前 当社の研究開発グループにより、波長 1550nm のパルス発生光源として既に実証済みのバランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）から導入した[6,9]。800nm 光源を有する BOMPD の概略図を、図１に示す。入力として、本検出器の光源には 800nm のパルスレーザー（チタンサファイアレーザーなど）を用い、周波数がこのパルスレーザーの繰り返し周波数の高次高調波成分をもつマイクロ波信号を受信する。光信号は 2 つの光ファイバーのアームに分岐される。片方のアーム（すなわちバイアスアーム）から受信される光信号は、フォトダイオードを用いて電気信号に変換され、直交方向のバイアス電圧になるように振幅と位相を調整した高周波（マルチ GHz）のマイクロ波信号を発生させる。もう片方のアームからの光信号は、光位相変調器を有する光ファイバ・サニャック干渉計（SGI）に伝送される。バイアス信号とマイクロ波信号の両方が光位相変調器に伝送されると、レーザー光源－マイクロ波源間の位相誤差によりパルス列に振幅変調が生じる。

図 1：800nm 光源用の BOMPD の概略図。
Δθ:

マイクロ波－光パルス列間の位相誤差PD:光検出器

BPF:

バンドパスフィルター

Amp:

電子増幅器

½:

周波数分割器Phase:RF 位相シフター+:

マイクロ波ダイプレクサ

φ：

電気光学位相変調器

SGI:

サニャック干渉計

FC:

ファイバーコリメータ

I:

同相出力

Q:

直交出力

Free space path:

自由空間光の伝送路

Microwave path:

マイクロ波の伝送路

Fiber path:

光ファイバの伝送路

Bias:

バイアス電圧の供給

Error + Reference:

位相の誤差（変動成分）と基準周波数の位相信号

光の検出において、光ファイバ・サニャック干渉計（SGI）から出力される情報には、ベースバンド信号にダウンミックスするための通常の高次高調波の繰り返し周波数（すなわち周波数が n 倍）に加えて、奇数次高調波の半分の周波数（すなわち周波数が (m+0.5)倍 ）における位相誤差の情報（Δθ）も含まれる。fR/2 における位相誤差と fR における基準信号はバンドパスフィルターで抽出処理を行い、I/Q デモジュレータ（復調器）へ伝送する。同相成分を有するデモジュレータの出力からは、ベースバンドにおける 800nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）の位相誤差信号を得ることができ、バイアス信号に不整合の箇所があるかどうか確認するために、デモジュレータの直交出力を診断用ツールとしても活用できる。
バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）を構成するすべての電子機器（図 1 の赤い部分）は、2 つのプリント回路基板（PCB）に統合され設計されている。これにより、設置場所が限られている環境でも導入可能なコンパクトな設置面積を有しており、加速器や施設環境において高電気絶縁性にも優れている。高い絶縁性を維持する 800nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）の写真を図 2 に示す。

図 2：800nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）の写真＜性能特性＞
800nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）は、繰り返し周波数が 79.333MHz のチタンサファイアレーザーと 5.712GHz のマイクロ波信号源の両方を利用している。図 3 は、運動自由度を持つレーザー光とマイクロ波信号を入力したときにバランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）で得られた特徴的なスペクトル曲線である。ゼロ交差検出の信号の傾きから、連続測定を 11 回行った後に得られた本検出器のタイミング感度は 0.492mV/fs (±0.037mV/fs) であることが分かる。

タイミング感度を示す振幅曲線のゼロ交差から推測できるように、本検出器は 20ps 以上の線形領域があるのが分かる。

図 3：
バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）のタイミング感度
縦軸： 検出器の出力 / 横軸： 感度、遅延検出器のノイズフロア（測定器内部で発生する雑音の平均値）は、マイクロ波入力をオフにして、BOMPD に適切なバイアス制御が行われた時に、ベースバンドアナライザを使って位相誤差を表す出力波形から測定できる。図 4 で示すように、統合されたノイズフロアは 1Hz ～ 100kHz で 4fs
RMS 未満、1Hz – 1MHz 間で 10fs RMS 未満である。

図 4：800nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）のノイズフロア
縦軸： ジッターのスペクトル密度 / 横軸： タイミングジッター、周波数
本稿では、バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）の「タイミング分解能」を特定のオフセット周波数における検出器で得られる最小のタイミングジッタとして定義する。これは図 4 にある測定されたノイズフロアから計算が可能である。
表 1 は、ノイズフロア（すなわち単位が (fs2/Hz) のジッタースペクトル密度）及びそれに応じた異なるオフセット周波数における本検出器のタイミング分解能を示している。本検出器は、100 Hz 以上のオフセット周波数に対して最大 10 アト秒という極めて優れたタイミング分解能を備えている。

表 1：
タイミング分解能 及び ダイナミックレンジ
本稿ではさらに、バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）のいわゆる「ダイナミック レンジ」を、特定のオフセット周波数におけるタイミング分解能に対する線形検出範囲の比率として定義できる。表 1 にあるように、800nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）は、1Hz 以上のすべてのオフセット周波数に対して 45dB を超えるダイナミックレンジを実現している。
まとめ
本稿では、800nm のパルスレーザー動作用に設計された光－マイクロ波間の新型・位相検出器を紹介した。検出方式は、以前行われた 1550nm・バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）に関する我々の研究[2,6,9] から導入したものであり、カスタマイズされた電子工学と機械工学を備えた 800nm の光入力に適するものとして開発された。バランス光マイクロ波位相検出器（BOMPD）
は、1Hz から 1MHz までの範囲で積分されたわずか 9.1fs RMS のノイズフロアであり、100Hz 以上のオフセット周波数に対して数アト秒という非常に優れたタイミング分解能を有している高精度の位相検出器である。