高速制御可能な光周波数コムの開発
武者研究室
1.

序論
現在、レーザーは加工や通信など様々な分野で利用されている。その中でも周波数安定度の高いレーザーは絶対周波数の測定やレーザーの評価などに用いられる。しかし、通常の周波数安定化レーザーは単一周波数であるため、広い範囲にわたって光の周波数測定を行うには複数台のそれぞれ波長での周波数安定度の高いレーザーが必要とされる。そこで、1 台で広い範囲にわたって光の周波数測定を行うことができる装置として光周波数コムがある。
2.

光周波数コム
光周波数コムとは光領域において周波数軸上に等間隔の縦モードがコヒーレントに並んだ光である(図 1)。光周波数コムの n 番目の縦モード周波数 fn は、オフセッ
ト周波数 fceo と繰り返し周波数 frep を用いて次のように表される。

fn = fceo + n ⋅ frep
現在では、光の物差しとして精密測距、周波数測定など様々な精密計測に応用されている。

コムとなり、光の 0,物差しとしての真価を発揮する。具体的には、fceo はモード同期レーザーの励起用 LD の電流、frep はモード同期レーザーの共振器長を制御することで安定化できる。ここで光周波数コムの周波数安定度をさらに上げるには、位相を広帯域にロックするための高速の制御が必要である。その高速制御を実現する手段として、電気光学素子(EOM)とドラム型 PZTを併用させる方法を武者研究室では用いてきた。EOM は高速制御、ドラム型 PZTはダイナミックレンジ拡大を担っている。
しかし、EOM はモード同期レーザーを構成する共振器内に取り付けなければならないため、共振器内に損失を与えてしまうことや高次の分散の影響が大きいことといった欠点がある。そこで、本研究ではドラム型 PZT より機械共振周波数が高く、共振器に後付け可能というメリットを持つ小型の圧電素子(PZT)を用いることで、高速で繰り返し周波数を制御することのできる光周波数コムの開発を目指した。これに加え、ファイバーに銅板を介して能動的な温度調節を行うことにより、長期安定性を向上させることも目指した。
3.

図 1. 光周波数コムの概念図
光周波数コムはモード同期レーザーの周波数を安定化することによって作製できる。モード同期レーザーからの出力は、周波数軸上に等間隔の縦モードが並んでいるとは言え、オフセット周波数や繰り返し周波数が揺らいでしまう。これらを基準であるマイクロ波などに同期できるように制御し安定化することにより光周波数

松阪 佳奈

モード同期レーザーの作製
まず非線形偏波回転を用いた 1.5μm 帯のモードロックレーザーの作製を行った。
モードフィールド径が 6.5 µm、1530nm での吸収が 30.0 dB/m のエルビウム添加ファイバー(EDF：ER30-4/125 (LIEKKI))を用いてリング型共振器を構築し、そのほとんどをファイバーで構成することで長期安定動作が可能なモードロックレーザーを作製した(図 2)。

テロダイン検波した(図 4)。

図 2. モード同期レーザーの実験系
共振器長は約 3.3m であり、モードロッ
クレーザーからの平均出力は、励起用 LDの電流値が 800mA のとき 7.7mW であり、繰り返し周波数は約 60MHz であった。このときの発振スペクトルは図 3 のようになった。

図 4. 小型 PZT の性能評価の実験系
その結果、接着剤にはエポキシ、ファイバーの固定方法にはシリコンゴムを用いた場合が最も寄生共振が少なく、機械共振が約 20kHz となった(図 5)。

0.6

Gain [dB]0.8

約 70nm0.4-10150-20100-3050-400-50-50-60-100-70-150-80
100.201450

200

15001550
1600
Wavelength [nm]1650

図 3. モード同期レーザーのスペクトル4. frep 制御
4.1. 小型 PZT の性能評価今回用いた PZT はサイズが 2.0 mm ×2.0 mm × 2.0 mm で、機械共振が 560kHzであった。この PZT にファイバーを取り付ける際、電流を流した時の PZT の変動にファイバーの長さの変動が追従するか、PZT 付近のファイバーが揺れることによる寄生共振が生じていないかを考慮する必要がある。前者は PZT とファイバーを接着する接着剤の種類、後者は PZT に取り付けた部分の近くのファイバーを固定する方法によると考えられた。そのため、一辺に PZT を取り付けたマッハツェンダー干渉計を構築し、PZT に電流を周波数走引した際のファイバーの長さの変動をヘ

100

1000
Freq [Hz]104

Phase [deg]Normalized Intensity

10-200105

図 5. 小型 PZT の性能評価の結果
4.2. 小型 PZT を用いた frep 制御
前節の結果より、小型の PZT をエポキ
シで共振器に接着し、PZT 付近のファイバーをシリコンゴムで固定した状態で frep 制御を行った(図 6)。

図 6. frep 制御(小型 PZT)の実験系
このとき、frep は 10×frep に近い値である610MHz に同期させた。これは高次の frep

6015040100205000-20-50-40-100-60-150-80-200

1101001000

Frequency [Hz]104105

図 7. オープンループ特性

Phase noise [rad/√Hz]

10-3
10-410-510-610-7
1101001000
Frequency [Hz]104402003015020100105000-10-50-20-100-30-150-40
1010-210-8Gain [dB]200になっている上、制御帯域が低いことから、今回作製した制御回路では利得が足りていないことがわかった。このことから、より高次の frep である CW レーザーとコムのビートを安定化することで、制御帯域を拡大しようと考えた。この方法で frep を制御した結果、オープンループ特性は図 10 のようになった。

105

図 8. 位相雑音スペクトル
また、図 7 の結果から制御回路の特性を引いた frep 制御器としての伝達特性は図 9 のようになった。これより、frep 制御器は 1次の積分特性を持ち、機械共振が 20MHzであることがわかった。
-40-60102103
Freq [Hz]1044.3. 銅板を介した温度制御の特性
前節で述べたように、制御を行った際、小型 PZT だけではダイナミックレンジが小さいのですぐにマイクロ波との同期が外れてしまう。それを防ぐために、PZT への制御信号が 0 になるように、ペルチェを接着した銅板を介してファイバーに温度調節を行うことを考えた(図 11)。

Gain [dB]-100-120-140-160
1101001000
Freq [Hz]104105

図 9. frep 制御器としての伝達特性
図 7 より、雑音の多いオープンループ特性-200105

図 10. オープンループ特性(CW)
図 7,10 より、マイクロ波に同期していた時と比較して、CW レーザーとコムのビートを安定化した時の方が綺麗に特性を測れている。しかし、短時間であっても安定動作ができなかった上、制御回路の特性を変化させても低域の特性の変化が少なかったので、今後は低域の特性を変化させられる機構を追加する必要がある。

-80-180

Phase [deg]80

Phase [deg]Gain [dB]に同期することにより、PZT での位相感度が 10 倍になるためである。frep を制御した
結果、オープンループ特性は図 7、位相雑音スペクトルは図 8 のようになった。図 7,8より、この時の制御帯域は約 1.2kHz であったことが分かる。

図 11. frep 制御の概要

まず、温度での制御が可能であるかを確認するために、無制御時の frep の変動(図 12)と、銅板と接着させたペルチェに流す電流をステップ状に変化させた時の frep の変動(図 13)を測定した。
10∆Freq [Hz]0-10-20-30-400100200300
Time [s]4005006.
300

1.02000.50

1000.00-1.0∆Freq [Hz]Iplt [A]図 12. 無制御時の frep の変動
1.5-0.50-1000-200
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Time [s]図 13. 電流を変化させた際の frep の変動
それぞれの場合での周波数変動は、図 12より無制御時は 0.0852Hz/s、図 13 よりペルチェに流す電流を変化させた際は1.02Hz/s となった。ペルチェに流す電流を変化させた時の方が無制御時を 1 桁以上上回る周波数変動を示したことから、温度により、PZT への制御信号がダイナミックレンジに達する前に frep の変動を制御することが可能であることが確認できた。
5.

次に、小型 PZT の性能評価を行い、ファイバーと PZT を接着する接着剤にはエポキシ、ファイバーの固定方法にはシリコンゴムを用いた場合が最も寄生共振が少ない上、機械共振が約 20kHz となっていることが分かった。この接着剤及び固定法を用いて共振器に PZT を固定し、frep を高次の frep に同期することにより、frep の安定化を行った。しかし、短時間であっても安定動作ができなかったので、今後改良が必要である。
また、長期安定動作をさせる手段として、銅板を介してのファイバーの温度調節が可能であることが確認できた。

まとめ
高速制御可能な光周波数コムを開発するために、まず非線形偏波回転を用いた1.5μm 帯のモードロックレーザーの作製を行った。このとき共振器長は約 3.3m であり、モードロックレーザーからの平均出力は励起用 LD の電流値が 800mA のとき7.7mW で あ り 、 繰 り 返 し 周 波 数 は 約60MHz であった。

展望
frep の低域での変動を制御する機構を追加し、frep の制御回路の最適化を行う。また、
小型 PZT と温度調節の併用による frep の安定化を行う。