1.5 ㎛の 3 倍波を用いたヨウ素周波数安定化レーザーの開発
武者研究室 2233061 CHO YEACHAN
1. はじめにより高安定な測位衛星システム開発の一環で精度の良いマイクロ波を生成するという計画が立てられている。以前、本研究室では宇宙重力検出器計画(DECIGO)の一環で人工衛星に搭載するヨウ素周波数安定化レーザーを開発してきた。このことを受け、次世代測位衛星用の周波数基準に応用し、高安定なマイクロ波を生成することにした。生成されるマイクロ波の安定度は周波数基準の安定度に依存するため、より安定な周波数基準が求められる。現在、利用されているルビジウム原子時計による周波数安定度は約𝛥𝑓/𝑓 = 10−13 であるが、周波数基準の長期安定度を10−15 台まで向上させる必要がある。そのため、私は 1.5 ㎛の光源を用いた光学系を組み立て、長期周波数安定度を向上させるために取り組んだ。DECIGO では１㎛の光源を利用していたが、1.5 ㎛の場合、今後用いる光周波数コムとの親和性が良い、人工衛星用の部品が多い、高出力化の必要がない、狭線幅のため周波数安定度の向上が期待される(図 1 参考)といった観点から光源を変更することにした。また
DECIGO では 10 秒の短期周波数安定度を目指していた一方、測位衛星は 10000 秒の長期周波数安定度を目標としている。

図１．1.5 ㎛レーザー(青)と 1 ㎛レーザー(赤)の線幅比較

2. 研究概要

図２．1 ㎛から 1.5 ㎛へ光源交換
光源を 1 ㎛から 1.5 ㎛に変更したため、1.5 ㎛光源用の光増幅器や波長変換結晶などの光学系を新たに開発した。1 ㎛のファイバーDFB レーザーから 1.5 ㎛の PLC-ECLD に置き換えたため、光増幅器を YDFA から EDFA に置き換え、波長変換結晶も SHG 結晶から THG 結晶に置き換えて DECIGO と同様に 515nm 帯のヨウ素分子がレーザーを吸収できるようにした。次に開発した EDFA や THG 結晶用の光学系を示す。
EDFA に関しては後方励起方式を使い、LD２個のパワーが合算されるようにしたため、10mWのシード光で約 430mW まで増幅できる。そして 3 倍波のみ抽出する光学系では 3 倍波のパワーが十分取れるようにミラーの位置に気をつけ、ファイバーカップリングの効率向上のためにシミュレーションを行なった。

図３．開発した EDFA(上)と THG 結晶光学系(下)
上述した装置を組み込んだヨウ素周波数安定化レーザーの概略図を示す。

にて評価を行なったのは高安定のレーザーがあるためである。普段、実験室では２台のヨウ素周波数安定化レーザーを利用し安定度の評価を行うが、周波数安定度の測定特徴上、悪い方のレーザー安定度を大きく反映するため、安定度が似たレーザー２台で測定した場
合、どのレーザーが原因なのか見分けることが困難である。しかし、今回用いた NICT の水素メーザー同期光周波数コムの場合、その周波数安定度がヨウ素周波数安定化レーザー
よりも安定であることが確定である。そのため、レーザー２台によるビート周波数ではあるが、アラン分散で示される値は全部ヨウ素周波数安定化レーザーの安定度だとみなして良いことになる。次に研究結果を示す。

図４．ヨウ素周波数安定化レーザーの概略図
先ほどの装置を用いて生成した 515nm の光をファイバーカップリングさせ分光に用いた。この光を信号光と励起光に分けてヨウ素セルの中で対向入射されるように光学系を組み立てた。信号光は干渉と強度変調のために AOM で 80Mhzの周波数シフトを受ける。また励起光は200kHz の位相変調を受ける。この励起光の位相変調がヨウ素セルの中で信号光に移乗される変調移乗法を利用している。その信号光をロックイン検出し、エラー信号(周波数弁別信号)を取得し、レーザー光源にフィードバック制御している。さらにこの研究では長期周波数安定度向上を目指しているため、レーザー光強度の揺らぎを抑える強度安定化、位相変調の際に引き起こされる残留強度雑音の安定化やヨウ素セルの気圧安定化や磁場安定化などレーザーの周波数がドリフトが起こらないようにするために様々な工夫がされている。
本研究では周波数安定度の評価のために上記のヨウ素周波数安定化レーザーのような周波数が安定なレーザーを２台用意し、２台のビート周波数を測定することで周波数安定度を評価している。

3. 研究結果
上記の概略図で示したヨウ素周波数安定化レーザーができたところで 2023 年 3 月に情報通信研究機構(NICT)にレーザー全般を持ち込み周波数安定度の評価を行なった。NICT

図５．周波数安定度測定結果
周波数安定度は NICT に持ち込んだ当初緑線のように-13 乗台だったが、測定を繰り返して行なった末に-15 乗台近い安定度を得ることができた。日によってヨウ素レーザーの安定度が向上した理由は以前できなかった細かい作業ができたためである。例えば、安定度が悪い方向でドリフトした場合、ヨウ素レーザーの方が悪いと分かっているため、そこを見つけすぐにアラインメントすることで反射光や戻り光に対する対策が効果的に行えた。電気制御のパラメータに関しても同じことができる。
目標としている周波数安定度まで向上することができたが、まだ長期周波数安定度までは行かずの状態で安定化システム上でも不安定な部分もあった。このことを受け、長期周波数安定度向上のために再び取り組んだ。

4. 研究内容
長期周波数安定度を向上させるには長期的な周波数ドリフトを防止することが重要である。その原因として揺らぎの原因を２タイプに分けて考えた。
１つ目は周波数弁別信号の中心周波数をドリフトさせる原因で２つ目は周波数弁別信号のオフセットを揺らす原因である。中心周波数をドリフトさせる原因はまたヨウ素の蒸気
圧揺らぎ、ゼーマンシフト、信号光の強度揺らぎなどがある。オフセットの揺らぎを起こす原因は電気の干渉、光の干渉、残留強度雑音などがある。
各々の原因は対策もそれぞれ異なるため、それぞれおの制御が互いに影響しないようにすることが重要である。ここでは１つ目の原因からそれに対して行なった対策まで説明する。
・ヨウ素セルフィンがーの温度安定化
ヨウ素の蒸気圧を制御することで圧力広がりと圧力シフトによる影響を低減させることができる。蒸気圧はセルのフィンガーと呼ばれるところの温度を制御することで制御できる。本研究では圧力広がりを防ぐために温度を約-13℃一定にし、圧力シフトを防止するた
めに温度揺らぎを数十 mK 以下に抑えることを目的にした。温度を-13℃程度に維持している理由は常温よりも大きいエラー信号が取得できるためである。しかし、低すぎる場合にはガス状態のヨウ素分子が固体に昇華していまい取得できる信号が小さくなるため、その温度の間で釣り合いが重要である。
本研究でフィンがーの温度がビート周波数にどの程度影響があるかを先に調べたとこ
ろ、１℃の変化で 180Hz の動きが見えた。

図６．フィンガー温度と周波数の関係

次に実際の気温下でセルの温度を測定した
ところ、３時間で 600mK 程度の変化があった。-15 乗台を達成するためには周波数揺らぎを 100Hz 以下に抑えることが重要である。
研究室では空調で気温を調節しているが、真夏の場合に 5℃以上の温度変化があるため長期で周波数安定度を測定した場合、少なからず影響が現れると予想される。

図 7．改良前のセル温度変化
この時のセルの様子を次に示す。

図８．改良前のフィンガー
改良前のフィンガーはフィンガーを囲んでいるアルミ板が外部空気と接触していた。しかもアルミ板が太くサーミスタで温度を読み取る際にセルの温度変化が素早く伝わらないミスがあった。先ほど説明したように実験室の温度は一定ではないため外の影響を遮断することが重要であった。その対策として次に示すようにフィンガー部を改良した。

その温度変動を見ると２段目のペルチェを用い空気層を最初冷やして一定になってから１段目のペルチェでフィンガーの温度を一定に保つ仕組みにしたため、外の影響を受けづらい環境を構築した。実際、フィンガーの温度変化を 20mK 以下に収めることができた。
・強度安定化
図 9．改良後のフィンがー
以前、外部空気と接触していた部分をもう一枚の銅板を使い、囲んで中に空気層を入れた温度シールドを制作した。フィンガーを囲んでいたアルミ板も銅板に変え、小さくし温度調節を効果的にできるようにした。温度シールドにペルチェ素子とサーミスタをつけ、空気層の温度も一定になるように設計を行なった。

図 10．改良後のセルの温度制御

図 11．改良後の温度揺らぎ(拡大図)(ΔT＜20mK)

図 12．ループを構成(①励起光、②信号光)
上述したように生成された 515nm の光を励起光と信号光に分ける。レーザーの周波数を安定化させるには両方とも強度を安定化させる必要がある。参考文献によると 1mW の強度変動は数百 Hz から数千 Hz の周波数ドリフトを起こす。そのため、信号光と励起光それぞれに対して強度安定化を行なった。そのアクチュエーターとして励起光は EDFA のカレントドライバー、信号光は AOM を利用している。本来、光強度の大部分は EDFA の LDに流れる電流をコントロールすることで制御しているが、長期の周波数安定度および高安定なループを目指すに信号光側にもループを作った。
強度安定化ループの評価は out-of-loop の挙動をチェックすることより行われた。In-loopとは loop 内の信号を意味していて設定した値に追従されるようにアクチュエーターが働く。Out-of-loop 信号とはループから外に出た信号のことを意味している。ループが堅牢で丈夫であれば、Out-of-loop 信号は基本的にin-loop と大きく相違することはないが、ループ内ではなかった部分が外にはある可能性があるので信号が変動することもあり得る。

図 13．Out-of-loop と in-loop の変動比較

図 15．Out-of-loop の強度揺らぎ比較

上のグラフは in-loop と out-of-loop の強度を数時間測定したデータである。In-loop の場
合、時間が経っても強度に変動が現れず、最初の設定値に追従している。一方、out-ofloop では時間とともに上下に変動していることを確認した。

今まで使っていた BSX04(青線)とウェッジプレート(オレンジ線)の Out-of-loop の強度変化を時間で測定した。その結果、今まで使っていたピックオフミラーよりも最大 10 倍程度偏光揺らぎが収まった。このことは以前、偏光が回ることによって長時間ロックができなかった問題の解決にもつながり、安定な制御ができるようになった。
・ゼーマンシフト

図 14．反射率の偏光依存性[2]
その原因は強度安定化のためにピックオフミラーとして使っていたものの反射率の偏光依存性であった。この偏光依存性がある上に偏光揺らぎが存在しているため、光の反射率が変わり、結果的に out-of-loop への強度に影響を与える。最初から偏光揺らぎを最小にすれば良い話であるが、ファイバーカップリングをしている以上、100％偏光を合わせることが難しいため発生する。その対策として偏光揺らぎの少ないウェッジプレートを試みた。ウェッジプレートの片面は角度がついているため、反射光と透過光をきれいに分別することができる。実験ではこのウェッジプレートを用いて偏光揺らぎの影響を一番受けないような場所を見つけ、プレートの角度を変えながらすべてのケースで測定を行った。その結果、ウェッジプレートの角度を 0 度(ほぼ0 度という意味：実際は若干角度がついている状態)にして強度安定化ループを構成した。
その結果が下のグラフである。

図 16．磁場の変動(磁気シールドあり)
ゼーマンシフトはヨウ素分子が磁場に置かれることによって起きるシフトである。磁石を用いてヨウ素セルに外から磁場をかけると１ガウスあたり約 90Hz の相関が見えた。しかし、外部から強い磁場が存在することはな
く、外部磁場による影響は他のものに比べるとそれほど大きくはないが、ファラデーローテータを用いたりすることもあるため、磁気シールドをヨウ素セルに被せた。
5. まとめ本研究では高安定マイクロ波生成のために長期で安定なヨウ素周波数安定化レーザーの開発を行った。周波数安定化にはヨウ素分子の飽和吸収線が基準として用いられた。しかし、

様々な外部要因により周波数安定度は𝛥𝑓/𝑓 =10−13台あり、目標である10−15まで２桁残っている状況であった。周波数安定度向上のために本研究で様々なところに注目した。
最初は光源を 1 ㎛から 1.5 ㎛へ切り替えにあたって EDFA を開発した。EDFA の動作安定性を高めるために戻り光を消し、強度安定化制御が安定にかかるようにした。その後、ヨウ素分子の吸収を利用するために周波数を 3 倍にする THG 結晶を用い波長変換を行い、ヨウ素分子の飽和吸収線を微分信号として取得に成功した。しかし、in-loop と out-of-loop での光の強度の挙動は予測と違い、偏光ゆらぎの解決に取り組んだ。偏光揺らぎは信号光と励起光の強度比を変化させるため調整が必要であった。その際、グランテーラー偏光子とポリマー円偏光子、２種類を用いありとなしでどのような変化があるか検証を行った。その結果、偏光子を使った場合、偏光揺らぎが収まり、種類によっては大きな差がなかったため、使い勝手の良いポリマー円偏光子を利用することにした。
そうすることで偏光揺らぎを低減させ、結果的に強度安定化を長時間のロックをかけても外れることがなくなった。その他、外部の影響を遮断するためにガラスセルのフィンガー部と磁場シールドを改造・改良した。フィンガー部については温度シールドを作り、外部と直接触れないようにし研究室の気温による影響を低減させ、セルの温度偏差を数十 mK まで抑えることができた。磁場についてはまず磁場の影響を確認し、磁場シールドを被せ、外の磁場を0.02Gauss まで低減することができた。上述した取り組みの上で周波数安定度を測定した結果、1.5 ㎛レーザーでは１万秒で2 × 10−13に、1.5 ㎛と水素メーザー同期光周波数コムとでは2000 秒で1 × 10−14まで達成することができた。
今回、残留強度雑音については都合上検証を行うことはできなかったが、残留強度雑音は現状大きな課題の一つとして制御の最適化が必要なところである。したがって、今後の課題としては RAM の安定化が一番に考えられる。ただし、RAM の安定化はモニタリング上の数値だけでなく、out-of-loop とともに制御電圧で引き起こされるビート周波数のドリフトも踏まえた総合的な評価が必要である。本文では触れなかったが、RAM の制御によって信号光が数十 mV 動くような現象も一緒に解消すべきである。その他、アラインメントをもう少し最適化し、周波数弁別信号に現れる薄い干渉雑音を消す必要がある。信号に関してはビーム径を整えて信号光と励起光の差を埋めることも重要だと考えている。
6.

参考文献

[1] Y. Takeuchi, T. Kurihara, T. Yamada, S. Endo, S.
Matsushita, A. Suemasa, T. Sasaki, H. Takiguchi, I.
Kawano, S. Kogure, M. Musha. Figure-8 type opticalfrequency comb for spaceborne frequency reference. :ICSO 2022, 2022.
[2]https://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=4807&pn=BSX04#6059
7.

発表実績[1]趙叡讚, 竹内裕一, 末正有,武者満
スペース重力波アンテナ DECIGO 計画(150)：
DECIGO 用光源開発,日本物理学会 2022 年秋季大会(岡山理科大) 2022.9.16[2]趙叡讚, 藤田悠生, 竹内裕一, 末正有, 武者満
スペース重力波アンテナ DECIGO 計画(159)：1.5μm のヨウ素安定化レーザーの安定度評価
日本物理学会 2023 年春季大会(zoom) 2023.3.24[3]CHO YEACHAN、竹内裕一、藤田悠生、末正有、武者満：衛星搭載用高安定マイクロ波発生のため
1.5 ㎛ヨウ素周波数安定化レーザー、日本光学会年次
学術講演会 2023