Figure-8 型モード同期レーザーの相対強度雑音による位相雑音評価
武者研究室 高木希1． 序論

一つの大きな要因となっていて、強度雑音

現在、日本の準天頂衛測位システムの周に現れる。通常、𝑓ceoの線幅を測定すること波数基準にはルビジウムやセシウムを用いで𝑓ceoの揺らぎを評価する。オシレーターのた原子時計が使用されている。その周波数相対強度雑音(RIN を下げれば、𝑓ceo の線幅安定度は、10-12程度である。精度向上のたは狭くなるはずであるが線幅を測定するこめにヨウ素安定化レーザーの利用が考えらとは難しい。そこで、様々な条件のもと、れている。しかし、現行のシステムでは 200

Figure-8 型モード同期レーザーの RIN を測THz のような光周波数領域を直接使うこと定して比較する。特に、𝑓ceoを制御して線幅は難しい。そこで、MHz 程度のマイクロ波を狭くした状態と制御をしていないフリー周波数領域にダウンコンバートするために、ランの状態のモード同期レーザーの RIN を高精度な光周波数コムを利用する。光周波比較することで光周波数コムの周波数安定数コムとは周波数軸上で等間隔に縦モード度に寄与の小さい、𝑓ceoの制御の必要性につの並んだコヒーレントな光であり、このモいて評価することを目的とする。

ード間隔(𝑓rep はマイクロ波周波数領域であるため、縦モード間隔を取り出すことで、2． 原理周波数基準に用いることができる。光周波2.1 光周波数コム

数コムの𝑛番目の縦モードをヨウ素安定化レーザーに同期することで、光のもつ高い光周波数コムの𝑛番目の縦モードの周波数は次の式で表される。

𝑓𝑛 = 𝑓ceo + 𝑛𝑓rep

周波数安定度をマイクロ周波数領域にダウンコンバートすることができる。
本研究室では、光周波数コムを発生させるためのオシレーターとして Figure-8 型モ(1)

ここで𝑓ceoはキャリアエンベロープオフセット周波数、𝑓repは繰り返し周波数である。

ード同期レーザーを開発してきた。高精度

理想的な光周波数コムでは、キャリアエな光周波数コムを目指すためには、周波数ンベロープオフセット周波数𝑓ceoは 0 にな揺らぎを小さくする必要がある。光周波数るはずであるが実際には群速度と位相速度

コムの周波数揺らぎは、繰り返し周波数𝑓repの違いにより 0 にはならない。の揺らぎと、キャリアエンベロープオフセット周波数𝑓ceo の揺らぎによって決定される。
本研究では、高精度な光周波数コムを目指すために、𝑓ceoに着目した。𝑓ceoの揺らぎ
は、光周波数コムの発生に用いられているオシレーターの励起用 LD の強度揺らぎが図 1．光周波数コムの概念図

光周波数コムの周波数安定度は次式で示て 7 dB/m の EDF を 1.0 m 使用した。分散値𝛽はそれぞれ 0.020 ps2/m、0.0357 ps2/m でされる。

𝛿𝑓𝑛 𝛿𝑓ceo + 𝑛𝛿𝑓rep 1 𝛿𝑓ceo=≈𝑓𝑛𝑓ceo + 𝑛𝑓rep𝑛 𝑓ceo(2)

ここで𝑛が十分大きいとすると𝑓repの安定度あり、PM-SMF の𝛽は-0.0223 ps2/m であることから設計段階での共振器全体の分散は0.00264 と計算できる。

は近似的に次のように表せる。

𝛿𝑓rep
𝛿𝑓𝑛 1 𝛿𝑓ceo≈−𝑓rep
𝑓𝑛𝑛 𝑓ceo(3)(3 式から𝑓ceoの周波数安定度は本質的に𝑓𝑛の安定度に対して𝑛 (> 106 )だけ小さく、𝑓𝑛が𝑓repの周波数を大きく制限することが分かる。𝑓𝑛 の安定度はヨウ素安定化レーザーと同期することで 10-15 程度となり𝑛 > 106

図 2. ストレッチパルス Figure-8 設計図-9であることから、𝑓ceoの安定度が 10 以下であれば、高い安定度を目的のマイクロ波

図 2 中の𝛥𝛷は非相反位相シフタを表してである𝑓repの安定度に移乗させることがでおり、変調深さを得るために組み込まれてきる。

いる。励起用 LD は、波長 976 nm のものを使用している。
実際に作成した Figure-8 のパルストレイ

2.2 相対強度雑音(RIN)
相対強度雑音(RIN とはレーザーなどにンと光スペクトルは以下のようになった。

おける強度の雑音を平均強度で規格化した量である。100 kHz までの低周波数帯域においては FFT アナライザを用いる。FFT ア
ナライザで取得した値が𝑎 dBV/√Hzとしたとすると、RIN の値は
𝑎𝑉
1020
RIN ==
𝑉𝐷𝐶
𝑉𝐷𝐶

(4)

図 3. パルストレインと光スペクトルとなる。
繰り返し周波数は 52.17 MHz となり、光ス
3． Figure-8 型モード同期レーザーの開発

ペクトルの 3 dB 線幅は 48.50 nm、励起用ストレッチパルスと RIN 比較用のソリト

LD の電流 160.1 mA で 0.601 mW の出力とンの 2 種類の Figure-8 を作成した。

なった。

3.1 ストレッチパルス領域

3.2 ソリトン領域

ストレッチパルス領域の Figure-8 は図 2ストレッチパルス領域と同様にソリトンのような設計で作成した。利得媒質には領域の Figure-8 も図 4 のような設計で作成

80 dB/m の EDF を 0.8 m、分散補償用としした。利得媒質には、80 dB/m の EDF を1.0 m 使用し、設計段階での共振器全体の分散は、-0.0469 と計算できる。励起用 LDはストレッチパルスと同じものを使用している。

図 6．LD の RIN 比較
図 4．ソリトン Figure-8 設計図
図 6 からパワーが大きいほどわずかではあ
実際に作成した Figure-8 のパルストレイ

るが RIN が小さくなっていることがわかンと光スペクトルは以下のようになった。

る。このことからモード同期レーザーの励起用 LD の出力を大きくすることで RIN が小さくなり、𝑓ceoの揺らぎが抑えられることが期待される。
4.2 ストレッチパルス、ソリトン Figure-8の RIN 比較
3 章で作成した 2 種類のモード同期レー

図 5．パルストレインと光スペクトルザーの RIN を測定し比較した。そのグラフを図 7 に示す。

繰り返し周波数は 44.14 MHz であり、光スペクトルの 3 dB 線幅は 10.72 nm、励起用LD の電流 260.0 mA で 0.938 mW の出力となった。
4． RIN 測定
4.1 励起用 LD の RIN 測定
Figure-8 の安定度は励起用に使用している LD の強度安定度にも多少は依存する。
そこで励起用 LD と同じ仕様の LD の出力を 100 mW, 200 mW, 400 mW と変化させな

図 7. ストレッチパルスソリトン RIN 比較

がら RIN 測定をした。これらの測定結果を
図 6 に示す。

図 7 から、ストレッチパルスの Figure-8 の
RIN はソリトン領域のものよりも低周波数

帯域から高周波数帯域にかけてフラットでて線幅が細いほうが無制御時に比べて RINある。ストレッチパルスとソリトンの RINが小さくなることが実験的に示された。反データを二乗平均平方根(RMS で比較する

対にモード同期レーザーの強度安定化を行−4と、その値はそれぞれ、3.54 × 10 とうことで𝑓ceo線幅が狭くなることが期待さ

5.47 × 10−4となり、ストレッチパルスのれる。

RMS のほうがわずかに小さくなった。これはソリトンの場合パルス形状を保って共振器内を周回し、非線形効果の影響を多く5． まとめ、今後の展望ストレッチパルス領域とソリトン領域の受けるからであると考えられる。

2 種類のモード同期領域で Figure-8 型モー4.3 𝒇𝐜𝐞𝐨無制御時、制御時での Figure-8 のド同期レーザーを作成した。また、様々なRIN 測定相対強度雑音を測定した。励起用 LD の出

ここでは、研究室にある私が作成してい力の違いによる RIN 比較ではパワーが大きない𝑓ceoを制御できるストレッチパルス領

いほうが RIN が小さかった。ストレッチパ域 Figure-8 型モード同期レーザーを用いてルスとソリトンの Figure-8 の RIN 比較では𝑓ceo制御の有無で RIN の比較を行った。そRMS で比較すると、ストレッチパルスののグラフを図 8 に示す。用いた Figure-8 の方が RIN 小さかった。𝑓ceo制御時と無制御

𝑓ceo無制御時での出力は励起用 LD180.0 mA

時の RIN 比較では𝑓ceo制御時のほうが RINで 1.5 mW である。

が小さかった。
今後の展望として、位相雑音と強度雑音についてまだはっきりとは相関がつかめていないためさらなる考察を進めていき、モード同期レーザーの強度安定化を行い𝑓ceo線幅が狭くなるかを確認し、最終的には𝑓ceo検出フリーな簡易的な光周波数コムを目指す。

図 8．𝑓ceo制御時と無制御時の RIN 比較
図 8 から、𝑓ceo制御時は無制御時と比べ周波数全域にわたって RIN が小さくなっていることが分かる。先ほどと同様に RMS で比較すると、𝑓ceo無制御時と𝑓ceo制御時のRMS はそれぞれ、6.94 × 10−4と2.51 ×10−4となった。したがって、𝑓ceoを制御し