次世代重力波検出器用高安定･高効率 fiber-MOPA の開発
電子工学専攻

植田研究室

三浦純一

本研究では、次世代重力波検出器用光干渉計光源に fiber-MOPA システムが使用されることを最終目標としている。
まず fiber-MOPA システムの出力特性向上を行い、12.3W を得られた。次に安定化を行い、信号光と比較しても高安定化することに成功した。最後に、非線形結晶を用い fiber-MOPA システムからの出力(波長:1064nm)を波長変換し 2.70Wの第二高調波出力、変換効率 25.68％を得ることができた。

1.

はじめにに増幅する。このため、希土類添加光ファイバ

次世代の重力波検出器として宇宙空間での増幅器では増幅可能な波長が増幅始準位と終準建設が計画されているDECIGO(Deci-hertz位のエネルギー差で増幅動作を行っている。

Interferometer Gravitational Wave Observatory)は、ファイバレーザーやファイバ増幅器は、固体

地上では地面振動などにより観測が難しかった

レーザーに比べ高冷却効率、空間モード制御が周波数域（1Hz付近）での重力波の観測を目指可能、高効率などの利点を持つ。一方でファイしている。また基線長を数万kmにすることで、バのコア中の電界強度が高くなることで非線形地上では実現できなかった高感度な観測ができ効果、誘導ブリユアン散乱(SBS)が発生し、利得ると考えられている。のシフトによる出力飽和や強度雑音が増加してDECIGO用光源には波長 532nm、出力 10Ｗ、しまうという問題がある。

-8

強度雑音 10 [1/√Hz]@1Hz、周波数雑音 1[Hz/ファイバレーザーは周波数のゆらぎが大きく√Hz]@1Hz、縦、横単一モードで高効率な光源

周波数制御性が悪いという欠点があるため、本が要求されている。本研究では、DECIGO用光研究ではファイバ増幅器を用いている。

源としてfiber-MOPA(Master Oscillator and PowerAmplifier)システムを用いて開発を進めている。

2.2

Yb

Ybのエネルギー準位は上準位 2F5/2 、下準位fiber-MOPAシステムは、主レーザー光出力を希土類添加ファイバ増幅器で増幅させるシステム

2で、小型で高安定、高効率、更には冷却効率が位系のため、励起波長やレーザー波長における高くビーム品質が良いといった利点をもつので励起吸収状態(ESA)、高エネルギー励起状態に移衛星搭載を考えた場合、有効なシステムである。

行したフォトンによる光放出(upconversion)が起F7/2のほぼ 2 準位系と考えることができる。2 準きないため高密度励起が可能という特徴がある。
2.

原理

2.1 ファイバ増幅器

また、Yb3+のイオン半径はY3+(yttrum)に近く、Nd3+イオンに比べイオン半径が小さいため高密

希土類添加ファイバ増幅器は、光ファイバの度添加した時に濃度消光が起きにくい。そのたコア部に希土類イオンを添加した希土類添加光め、Nd3+やEr3+に比べ高濃度添加が可能であり、ファイバを増幅媒体に用い、この希土類イオンファイバ長を短くすることが可能である。Yb3+の状態を光励起により反転分布を形成すること

イオンの上準位寿命は 0.95ms程度と長く、高いにより誘導放出を可能にし、信号光を進行波的エネルギー蓄積効果が期待でき、量子欠損が少ない。レーザー媒質としては高い量子効率を期待できる反面、上、下準位のStark分岐の幅が狭

Pth = 21

いため各エネルギー準位は熱的にも励起される。

Aeff
g b Leff

L (2.1)

Aeff:有効コア面積
Leff:相互作用長gb:ブリユアン利得

このため励起強度が弱いとそれだけで下準位からの吸収が強く現れる。
3+

2.4 第二高調波発生(SHG)

図 2.1 は、Yb の吸収、放出スペクトルであ位相整合を得る方法として最もよく知られてり、実線が吸収、点線が放出スペクトルを表す。

いるのが結晶の複屈折と屈折率の波長依存性を吸収スペクトルは全体的にスペクトル幅が広く、利用する方法である。しかし、この方法では入励起用LDに対する制約が大幅に緩和されると射光を強く集光する際に光ビーム内の集光角にいう利点がある。その中で 975nm付近をみると応じて位相整合角からのずれが生じ(ウォーク吸収、放出どちらにもピークがある。

オフ)SHG への変換効率が低下し、また複屈折による位相整合に適した結晶(等方性媒質の利用不可)や波長が制限されてしまう。そこでこの問題をほぼ解決できる擬似位相整合法を本研究では用いた。擬似位相整合は、SHG において基本波と高調波の伝播定数差を周期構造で補償して位相整合をとる方法で、非線形光学相互作用を効率よく行える。
基本波から第二高調波への変換効率は、

図 2.1

3+

Yb の吸収、放出スペクトル

2.3 誘導ブリユアン散乱
SBS は、ファイバ中で起こる非線形過程であり、誘導ラマン散乱(SRS)よりも低い入射パワーで起こる。入射波の周波数のずれにより小さη=

2 2P(2ω ) ⎛⎜ 2ω d eff ⎞⎟=Pω Lkω h(B, ξ )LL (2.1)
P(ω ) ⎜⎝ πnω n2ω ε 0 c 3 ⎟⎠と表される。deffは非線形光学定数で、擬似位相整合を用いるために非線形光学定数は、

d eff =2dπ

LL (2.2 )い周波数をもつストークス光の発生という形でと最適化される。擬似位相整合の場合には、d現れ、その周波数のずれは非線形媒質によってはd33 をとる。Lは結晶長、h(B,ξ)はBoyd and決まる。SBS と SRS の大きな違いはファイバKleinman因子である。式(2.1)より変換効率は結中で SBS が起こるとストークス光は後ろ向き晶長、入射光強度に各々比例し、つまり出射光に伝搬するが、SRS では両方向に伝搬する。まは入射光の二乗比例する。

た、SRS には光学フォノンが寄与するのに対し、SBS には音響フォノンが寄与する。
SBS の閾値のほうが低いため SBS の閾値に着目して閾値を見積もる。式(2.1)に SBS の閾値を示す。

効率よく波長変換するために、非線形結晶の中心部でのビームの最適径ω 0 を考える必要があり、これにはBoyd and Kleinman曲線からの導出でき式(2.3)のようになる。

ξ=LλLLL (2.3)=b 2πneω 0 2以上を達成することができた。
14今回は、ξ=1.068 とおいて求めた。

12位相整合可能な基本波の半値全幅は、−1LL (2.4)

Amplifier [A]

0.4429λ n2 − n1 ∂n1 1 ∂n2δλ =+−Lλ∂λ 2 ∂λ10864と表すことができる。式(2.4)より結晶長 L と半2地全幅δλには反比例の関係がある。

005101520Launched Power [W]3.

fiber-MOPA システムの特性

3.1fiber-MOPA システム実験系

図 3.2 出力特性0-10図 3.1 に fiber-MOPA システムの概略図を示す。

-20体レーザー励起モノリシック型 Nd:YAG レーザ-30ー（NPRO）を使用し、発振波長 975nm のファイバ結合 LD で逆方向励起された長さ 10m の Yb
添加偏波保持ダブルクラッドファイバ（PM-DCF）を用いて増幅実験を行った。

NPRO50 0mW @10 64 nm

PBS

ｆ＝8-40-50-60-70
1000

1020

1040

1060

1080

1100

Wavelength [nm]図 3.3 光スペクトル特性

PM-YDF
25/2505mdBm

信号光に発振波長 1064nm、出力 500mW の半導DM
ｆ＝11fiber coupled LD
ｆ＝113.3 単一横モード化

λ/2 λ/2

出力2 1. 9 W@9 75 n m

図 3.1 fiber-MOPA システム実験系

本研究で増幅媒体として用いているPM-DCF
は、ファイバ内で発生するSBSの発生を抑えるためコア径 25μm、NAcore=0.06 のマルチモー3.2 出力特性、スペクトル測定ドファイバを用いた。この出射モードを単一横出力特性を図 3.2 に示す。増幅動作をさせたモード化させるために、ファイバを曲げること結果、最大出力 12.3W、スロープ効率 70.6％をで高次伝搬モードを抑圧する方法を用いた。簡得られた。以前の実験では、増幅動作時にファ単に巻くことができ、同じ巻き径で再現性良くイバ端面が損傷する現象が度々発生し再現性の巻け、安定性を高めるために、発泡スチロールある実験をすることが困難であったが、今回はにファイバを巻きつけた。巻き径を 8、10、15、ファイバ端面が損傷ことはなくなり、再現性の20cmに した場 合の出射ビ ームを観測 した。

良い実験をすることができた。

20cmからはじめ、順に小さくしていった結果、光スペクトル特性を図 3.3 に示す。以前の実10cmの時に図 3.4 に示すように単一横モード出験では、高出力動作時に 1040nm 付近に ASE射(M2=1.12)を得られた。そこで更に巻き径を小がみられたが、今回は確認できず強度比 35dB

さくし 8cmの場合の出射ビームを確認したとこ

ろ単一横モードではなく出力も減少してしまい、ファレンスとなる信号を比較し、その誤差信号巻きによる損失が大きく基本モードにまで影響を評価することで相対強度雑音としている。

したと考えられる。
4.2 相対強度雑音安定化
まず図 4.2 より NPRO 単体と増幅時の無制御時の相対強度雑音を比較すると、2 桁の雑音悪化がみられる。fiber-MOPA システムの増幅出力は励起光出力が支配的であることから、励起光源を制御することで安定化できると考えた。サーボ回路で得られた誤差信号をカレントドライ
図 3.4 ファイバの巻きバの変調端子へ返した結果を図 4.2 の赤で示す。
2 次のLPFを挿入した結果、無制御時に比べ3.4 偏光特性安定化時は最大で雑音を 4 桁抑制することに成増幅出力の偏波消光比を測定したところ功し、1Hz付近では 10-7[1/√Hz]を達成するこ13dB であった。偏波消光比の改善を狙って信とができた。しかし、今回使用したカレントド号光源の偏波消光比、信号光とファイバの入射ライバの変調端子のカットオフ周波数が結合の不完全さ、信号光とファイバの入射偏光10kHzであったために、広帯域に渡る雑音抑制の関係、ファイバの曲げによるモード競合、フは困難であった。

ァイバへの外乱の影響などを考え、偏波消光比10-310-410-510-610-710-810-9悪化の依存性の検証を行ったが、大きな改善は4.

RIN [1/sqrtHz]みられなかった。
相対強度雑音4.1 相対強度雑音測定の実験系

YbDCF

NPRO

ｆ＝85 0 0 mW @1 0 6 4 n m

DM
ｆ＝11fiber coupled LD
ｆ＝11LD
currentsource

λ/2PD
出力

図 4.1 強度雑音安定化の実験系

0101210310410Frequency [Hz]図 4.2 相対強度雑音安定化

servo
circuitreference

10free-run
NPROstabilized

5.

周波数雑音

5.1 周波数雑音測定の実験系
周波数雑音スペクトル測定の実験系を図 5.2 に誤差信号評価による相対強度雑音スペクトル示す。レーザー角周波数が基準角周波数からど測定のための実験系を図 4.1 に示す。測定方法

れだけずれているか測定するために、ずれの量

は、fiber-MOPA 出力の一部をフォトディテクタを与える周波数弁別器からなる周波数復調器に(PD)で受け、そこで得られた電気信号と電圧リF=55000 のファブリー･ペロー共振器を使用した。周波数弁別器として、共振器の反射スペク今回現れたものである

ト ル と シ グ ナ ル ジ ェ ネ レ ー タ (SG) の 信 号 を10DBM で復調した復調信号を使用した。周波数ゆ10らぎ検出により基準角周波数とレーザー角周波104free-run
3stabilized

PSD [Hz/sqrtHz]

2数の差に比例した信号、つまり誤差信号が得られ、この誤差信号を増幅させて出力信号をNPRO の fast 端子(ピエゾ素子)へ加える、FM サイドバンド法という方法を用いた。

NPRO

ｆ＝1101010-110-210-3101102341051010Frequency [Hz]DMYbDCF
ｆ＝8110fiber coupled LD

図 5.2 周波数雑音安定化

ｆ＝11λ/2
Phase
shifterEOM

φ

SGλ/2

servocircuit

PBS

DBM

PDλ/4

F =55000⊿f=9kHz6.

ビート信号測定
増幅前と最大出力時のビート信号の測定を行った結果を図 6.1 に示す。ビート信号の半値全幅は、増幅前 6.22kHz、増幅時 8.22kHz となった。
ビート信号より増幅前の光源の半値全幅を求め

図 5.1 周波数雑音安定化の実験系

るには 1/2 する必要がある(同じ性能同士の光源を使用しているため半値全幅もほぼ同じであ5.2 周波数雑音安定化る)ので 3.11kHz、増幅時は NPRO 単体に比べ

図 5.2 に増幅出力 1W の場合の無制御時と安fiber-MOPA 出力の半値全幅が支配的であるため、定化時の周波数雑音スペクトルを示す。無制御

増幅出力の半値全幅はほぼ 8.22kHz といえる。

時のスペクトルは、NPRO 単体の周波数雑音とこれよりも、NPRO 単体では半値全幅が非常にほぼ同等であり、増幅動作による周波数雑音の細いことがわかる。増幅することにより 10W 以悪化はほとんどみられなかった。また増幅出力

上の出力では半値全幅は 3 倍程度悪化したが、7.5W 時の周波数雑音スペクトルの測定を行っ

それでも半値全幅は 8.22kHz と狭線幅である。

たが、この時も無制御時の雑音スペクトルには-30悪化はみられず、今回の fiber-MOPA の実験系で-40は増幅出力 7.5W までは位相雑音による影響は-50ないことが確認できた。

-60

fiber-MOPAdBm

FMサイドバンド法により 1Hz付近において、NPRO-70

雑音を 4 桁以上抑制(10-2[Hz/√Hz])することに-80成功した。50Hz、100Hz付近などにみられる雑-90

音は、電源の雑音であるため光源の性能とは関係のないものである。また 10kHz付近にみられる雑音は、LDの水冷機の振動が音響雑音となり-100
6363.05

63.1

63.15

63.2

63.25

Frequency [MHz]図 6.1 ビート信号の測定

63.3

7.

第二高調波発生

長さ 20mm の PPMgOLN 結晶を用いて 10.5W

7.1 第二高調波発生の実験系の 基 本 波 を 入 射 さ せ た と こ ろ 、 532nm 出 力

図 7.1 に第二高調波発生の実験系を示す。

2.70W で変換効率 25.68％を得ることができた。

fiber-MOPA システムで得られた出力の偏波特(図 7.2)しかしこの結果は、原理で示した式(2.1)

性は 13dB と悪かったためにλ/4 板、λ/2 板をから求めた理論値に比べ 50％程度の値である。

挿入後にグランレーザーへ通して偏波消光比を

これは、ビーム形状が完全に単一横モードにな高くした状態で S 偏光にして結晶へ入射させる。っていないことが起因していることや、調節の非線形結晶の中でも変換効率が高く、破壊にパラメータが多いことから最適化が不十分と考も強いMgO:LiNbO3結晶を用いた。

えられる。また図 7.2 より、基本波が 8W 以上

集光条件は Boyd Kleinman 曲線より結晶の中心にてビーム半径が 23μm 程度になるようにレでは、効率が頭打ちになっていることがわかる。
これは、熱レンズによる影響と考えられる。

ンズを配置した。温度変化により第二高調波出力の影響も非常に大きいため、0.1℃以下まで制

8.

fiber-MOPA システムにより波長 1064nm、御可能な温調を使用し、35.0℃で結晶の温度制

出力 12.3W、単一縦横モード出射、10kHz 程度御を行っている。
PM-YDF
NPRO

PBS

まとめｆ＝8の狭線幅の光源を開発することができた。

25/2505m

DM
ｆ＝11励起光を制御することで相対強度雑音 10-7[1/fiber coupled LD
ｆ＝11√Hz]@1Hzを達成した。周波数雑音を測定した
λ/ 2 λ / 2

5 0 0mW@1 06 4 nm

35℃
±0.1℃

2 1. 9W@9 75 n m

どみられなかった。また信号光を制御すること

温調
グランレーザーDMで周波数雑音 10-2[Hz/√Hz]@10Hzを達成した。

λ/410 6 4 nm
53 2 n m

DM

ところ、増幅しても周波数雑音の悪化はほとん

PPMgOLN
l =20[mm ]t =0.5[mm]

非常に高安定、高効率な基本波光源を作成する

λ/2ことができた。

図 7.1 第二高調波発生の実験系

この光源を基本波として非線形結晶を用い高効率波長変換した結果、基本波 10.5W に対して第二高調波 2.7W、変換効率 25.68％を得ること

3302.5252201.5151100.5500120246810Input Power [W]

図 7.2 第二高調波発生の実験系ができた。

Efficiency [%]Output Power [W]

7.2 第二高調波発生の出力特性

9.

今後の予定
まずは、fiber-MOPA システムからの出力の偏波消光比の向上、波長変換効率の向上させる必要がある。これが達成できた段階で、コヒーレント加算を行い要求出力の 10W を達成できるか検証を行う。
その後は、532nm の相対強度雑音、周波数雑音の安定化を進める必要がある。