人工衛星搭載に向けた高安定光周波数コムの開発
武者研究室 松阪 佳奈
1.

を与えることにより実現できる。モード同期レーザ

はじめにーからは図 1 のように、周波数軸上で等間隔に縦モ

光周波数コム[1]とは周波数軸上で等間隔に縦モードが並んだ光が出力される。その各縦モードの周ードが並んだコヒーレントな光源であり、分光や測波数が時間的に揺らがないように制御を行うこと距などに応用されている。分光においては、1 台のにより、光周波数コムは実現される。

光周波数コムを周波数基準として利用する方法や
光周波数コムを 2 台用いて行うデュアルコム分光法がある。中でも周波数基準に関しては、光周波数コムを周波数コンバーターとして利用し、光領域の持つ高い周波数安定度をマイクロ波に移乗させ、より高安定なマイクロ波基準を作ることができる。そ図 1. 光周波数コムの概念図の応用例として、宇宙に打ち上げ、GPS の精度を向上させることなどがあげられる。このような宇宙

光周波数コムの n 番目の縦モード周波数𝑓! は、オでの応用を実現させるには、長期安定動作を可能にフセット周波数𝑓!"# と繰り返し周波数𝑓!"# を用いて、することや周波数の長期安定度を高くすることが次のように表せる。
𝑓! = 𝑓!"# + 𝑛 ∙ 𝑓!"#求められる。

∙∙∙ (1)

そこで、本研究ではこれまで開発してきた非線形𝑓!"# と𝑓!"# それぞれに対して基準を用意し、その基偏波回転を用いた光周波数コムに代わり、長期安定準に同期するよう周波数安定化を施すことにより、動作を可能にするため、発振器であるモード同期レ各縦モードの周波数を時間的に安定にすることがーザーを偏波保持(PM)ファイバを用いた非線形フできる。𝑓!"# はモード同期レーザーの励起強度、𝑓!"#ァイバループミラーで作製し、周波数の長期安定度は共振器長を制御することにより周波数を安定化を高くするためにヨウ素の分子の吸収線を制御のすることができる。制御にはレーザーの周波数安定基準として利用する光周波数コムの開発を目的と化で一般的に用いられる負帰還制御(ネガティブフする。

ィードバック制御)を用いることが多い。負帰還制
御は系を何度も周回することで目標値へ自動的に2.

原理追従することが可能であり、利得(Gain)を 1 倍以上にできるという利点がある。

光周波数コムはモード同期レーザーを発振器として、周波数安定化の制御を行った光である。モー3.

ド同期レーザーとは、共振器内の多数の縦モードの実験概要と結果

3.1 非線形偏波回転の光周波数コムの開発

位相を揃え固定した状態で発振させるレーザーであり、時間軸上で非常に短いパルス幅を持つパルス

まず、修士課程前半に行っていた NPR を用いた列の形成と定期的な発振を実現できるという特徴

光周波数コム[4]の実験結果を示す。実験系を図 2がある。モード同期を行う方法として受動モード同に示す。モード同期レーザーは、Er 添加ファイバ期があり、非線形偏波回転(NPR)[2]や非線形増幅を利得媒質としたリング型共振器で構成されておループミラー(NALM)[3]を用いて強度依存の損失り、ポラライザーで選択される光のみ共振させ、パ1

ルスを発生させている。その繰り返し周波数は 50.4を得ることができた。このときの𝑓!"# の周波数安定

MHz、光スペクトルは図 3 のようになっており、度をアラン分散で評価した結果は図 6 のようにな

スペクトル幅は 70 nm となった。このモード同期り、光領域において 1 秒で5.1×10!!" という周波数レーザーを発振器として使用し、制御を行うことで安定度になった。
Monitor

光周波数コムを実現させた。

Modelockedlaser

OC
50:50

frep stabilized

OC iso. OC
90:10
90:10

Pol. con.

EDF

HNLF
SMF

WDM

HWPQWP

Collimator
lens

LD
976 nm

DMBPF
1.5 µm1030 nm

Lens PPLN
f=75

PD

Lens Lens
f=75 f=75

図 4. f-2f 干渉計の実験系

図 2. NPR を用いた光周波数コムの実験系-400 nmIntensity [dBm]-50-60-7015001650

図 3. NPR を用いたモード同期レーザーの光スペクトル

まず、𝑓!"# の周波数安定化を行った。𝑓!"# は高非線形ファイバ(HNLF)でスペクトルを拡大し、基本

10-7-15-810-910-161010fceo
-1010-17-1110-1810波と 2 倍波のビート信号を観測する f-2f 干渉計によ10って得られる。実験系を図 4 に示す。その f-2f 干渉計の再構築を行い、信号が 30 dB 以上安定して得ら10-12010れるようにした。その後、得られた𝑓!"# に対し、Rb
原子時計に同期したマイクロ波を基準として、LDsynthesizer
110-1910231010Time [s]Allan deviation (df/f) @193 THz

15501600Wavelength [nm]Allan deviation (df/f) @10.5 MHz-801450

図 5. 位相同期時の𝑓!"# ビートスペクトル410

図 6. 位相同期時の𝑓!"# ビートのアラン分散

ドライバーの変調端子と LD チップへの直接注入を併用し、フィードバック制御を行った。その結果、次に、𝑓!"# の周波数安定を行った。𝑓!"# は光領域

図 5 のように狭窄化された𝑓!"# のスペクトルが得らの周波数基準である共振器で安定化させた 1.5 µm

れ、制御帯域 230 kHz で SN 比 30 dB 以上の信号の狭線幅光源を基準として用いて、狭線幅光源と光2周波数コムの縦モードの 1 つとのビート信号を取

3.2 非線形ファイバループミラーの光周波数り、その周波数𝑓!!"# を Rb 原子時計に同期したマイクロ波と位相同期させることで周波数安定化を行コムの開発った。具体的には、ファイバの一部を巻き付けた円宇宙での応用を考えた際、長期安定動作と長期の筒型の圧電素子(PZT) とインライン型の電気光学周波数安定度向上が必要である。長期安定動作を可変調子(EOM)を併用し、フィードバック制御を行っ能にするためには外乱に強い事が重要である。NPRた。その結果、図 7 のように狭窄化された𝑓!!"# のス

は偏光を利用するため、温度変化や振動といった外ペクトルが得られた。このとき、制御帯域は 690

乱に敏感であった。そこで、図 9 のような偏光を維kHz となったが、 SN 比は 17 dB と低くなった。

持する PM ファイバを用いた 8 字型共振器によるモ

これは図 8 のように、狭線幅光源が周波数変調を受ード同期レーザー[5]を作製した。8 字型共振器はけ、安定度が悪化し、光周波数コムと狭線幅光源とNALM を利用しており、そのミラーの透過率が強のビートが太くなったからだと考えられる。そのた度に依存することとアイソレータを組み合わせるめ、狭窄化された𝑓!!"# のスペクトルの SN 比を向上ことで強度依存の損失を生み出し、モード同期を行させるには、狭線幅光源に混入する電気的な雑音をっている。ミラーの透過率を変化させるため、EDF取り除くことが必要である。の配置の非対称性による光路差と、
図 9 において∆𝜙と表されている非相反位相シフタ(NRPS)[6]を組み合わせることにより、図 9 の左側のループにおいて右回りと左回りで異なる位相シフトを与えている。
作製した結果、スペクトル幅は図 10 に示すように約 11 nm、繰り返し周波数は約 45 MHz のモード同期レーザーとなった。出力は 280.0 mA で励起した際に、中心周波数である 1565 nm での換算で1.432 mW となった。このモード同期レーザーを発振器として使用し、制御を行い、光周波数コムを実現しようとした。これまでの NPR を用いた光周波数コムの実験系との相違点として、𝑓!"# 安定化実験

図 7. 位相同期時の𝑓𝑏!"# スペクトル系において、EDFA 後に HNLF を挿入し、1 µm のヨウ素安定化レーザーとのビート信号を取得でき0るようにしていること、銅板を介したペルチェによFreerun ECLD + comb
Stabilized ECLD + comb

る温度制御と小型 PZT を併用し、フィードバック

Intensity [dBm]-10制御を行っている点が挙げられる。

-20-30-40-50-60

23456Frequency [MHz]78

図 8. 狭線幅光源とモード同期レーザーのビート信号

3

Mode-locked LASER
976 nmLDEDF

Δφ

fceo

Currentdriver

PFD

servo
ﬁlter

BPF

Synthesizer

isoPZT

EDFA
PD

HNLF

f-2f

PD

Amp

LPF

fep
temperature
controller

PZTdriver

EDFA
monitor

HNLF


servoﬁlter

PD

LPF

Synthesizer

PFD

BPF

図 11. モード同期レーザーの繰り返し周波数の変化

図 9. 8 字型共振器を用いた光周波数コムの実験系

次に、𝑓!"# の周波数安定化を行った。はじめに、
EDFA によるパルス波の高出力化を行った。これは11 nm

HNLF を通過することで得られるスーパーコンティニューム光(SC 光)のスペクトルが広帯域に広がるようにするためである。このとき得られた最高出力は中心波長である 1565 nm での換算で 105 mWであった。この EDFA を通過後の光を自己相関計に入射し、自己相関波形を得た。その結果、自己相関波形は図 12 のようになり、パルス幅は sech2 型フィッティングで 343 fs と求められた。その後、

図 10. 8 字型共振器のモード同期レーザーの光スペクトル

HNLF、f-2f 干渉計に入射し、SN 比 30 dB 以上の𝑓!"# 信号を得た。このときのスペクトルの拡大図はまず、このモード同期レーザーの長期安定動作に

図 13 のようになり、スペクトル幅は 180 kHz となついて検証した。モード同期レーザーを箱で覆うこり、NPR と比較して太くなった。そして、NPR ととなく、温度変化や振動などの外乱に晒した状態で同様にフィードバック制御を行ったところ、図 14連続動作させた。 その結果、図 11 で𝑓!"# が途切れのように制御帯域は約 100 kHz となった。
しかし、ることなく時間変化していることから、測定を終了

図 15 からわかるように、狭窄化された𝑓!"# 信号を得した 72 時間経過まで 1 度もモード同期が外れるこることができなかった。これは𝑓!"# 信号の線幅が太となく動作したことがわかった。このことから、長いことが原因だと考えられる。この線幅は発振器の期安定動作可能であると判断した。また、図 11 よ性能によって決定されるため、発振器であるモードり、𝑓!"# の周波数の時間変化は温度変化と強い関係同期レーザーの見直しが必要であることがわかっがあることがわかった。

た。

41.54×343 fs

図 15. 位相同期時の fceo ビートスペクトル
図 12. EDFA 後の自己相関波形

続いて、𝑓!"# の周波数安定化に向けて、図 16 のよ180 kHz

うな実験系を用いて、光周波数コムの SC 光と単一RBW30 kHz
VBW30 kHz

モードの 1030 nm Fiber DFB レーザーとのビート信号を得た。今回はヨウ素安定化レーザーに代わって、単一モードの 1030 nm Fiber DFB レーザーを用いた。図 16 において、光周波数コムの SC 光の光路上に SPF と BPF を挿入することにより、目的である 1030 nm 以外の光を取り除き、雑音フロアが上がらないようにし、ビート信号の SN 比が向上するようにした。その結果、図 17 のような SN 比 15 dBの信号を得た。このように SN 比が低くなった要因

図 13. 𝑓!"# ビートスペクトルの拡大図として、図 18 からわかるように、Fiber DFB レーザ
ーと比較して光周波数コムの SC 光の出力が弱いことが考えられる。そのため、光周波数コムの SC 光の高出力化が必要であることがわかった。
1030 nm Fiber DFB

comb (SC)

QWP mirror

Collimatorlens
mirror

図 14. 位相同期時のオープンループ特性

BPF
1030 nmCollimator
lens
QWP
A<enuator Collimatorlens

BPF PBS Lens PD
SPF
1180 nm1030 nm f=30

図 16. SC 光と Fiber DFB レーザーのビート信号取得の実験系

5次に、宇宙での応用を考えた際、長期安定動作とRBW100 kHz
VBW100 kHz

長期の周波数安定度向上が課題となったので、長期安定動作可能とするため、PM ファイバを用いた 8字型共振器によるモード同期レーザーを作製した。
その結果、1565 nm 中心に約 11 nm 広がった、約15 dB

45 MHz の繰り返し周波数を持つパルスを得ることができた。これを発振器とし、𝑓!"# の周波数安定化を行った。その結果、位相同期を行っていない状態で SN 比 30 dB 以上の𝑓!"# が得られたものの、並列制御時は制御帯域約 100 kHz において、狭窄化し図 17. SC 光と Fiber DFB レーザーのビートスペクトルて得られる𝑓!"# 信号のピークやサイドバンプを観測することはできなかった。これは𝑓!"# 信号の線幅が太いことが原因と考えられるので、発振器であるモFiber DFB laser

ード同期レーザーの見直しが必要である。また、𝑓!"#の周波数安定化に向けて、光周波数コムの SC 光と単一モードの 1030 nm Fiber DFB レーザーのビーSC (comb)

ト信号を得たが、SN 比が 15 dB と十分な値ではなかったため、SN 比向上に向け、光周波数コムの SC
光の高出力化が必要であることがわかった。

参考文献
図 18. SC 光と Fiber DFB レーザーのビートの光スペクトル[1] S. A. Diddams, et al. Phys. Rev. Lett. 84 (2000)
5102-5105

4.

まとめ[2] L. E. Nelson, et al. Appl. Phys. B 65 (1997):
277-294

はじめに、非線形偏波回転を用いたモード同期レーザーを発振器とした光周波数コムの𝑓!"# と𝑓!"# そ[3] M. E. Fermann, et al. Opt. Lett. 15 (1990):

れぞれの周波数安定化を行った。その結果、𝑓!"# の752-754

制御帯域は 230 kHz、𝑓!"# の制御帯域は 690 kHz[4] H. Inaba, et al. Optics Express 14.12 (2006):となったが、𝑓!"# は十分な SN 比を持った信号が得

5223-5231

られなかった。この SN 比を向上させ周波数安定度[5] E. Baumann, et al. Optics letters 34.5 (2009):

を向上させるには、狭線幅光源の制御系を見直し、

638-640

制御ループに混入する電気的な雑音を取り除く必[6] H. Lin, st al. J. Lightwave Technol. (1994):

要がある。

1121-1128

6