マイクロ ECLD を⽤いた⾃動位相同期システムの開発
基盤理⼯学専攻武者 満 研究室

伊藤航平

1. 序論

現在、レーザーは加⼯や通信、測定、医⼀点⽬が、光周波数コムにレーザーの周療など様々な分野で利⽤されている。そ波数を同期させる⽅法である。25GHz 間の中でも、光通信においてレーザーは⼤隔の光周波数コムを発⽣させ、その-10、きな役割を担っていると⾔える。そもそ-5、0、+5 次の縦モード（125GHz 間隔）

もレーザーは、「誘導放射による光の増幅」 に超⼩型 ECLD（ITLA）を追従させた。
を 意 味 す る ”Light Amplification by

この際の光コムは、共振器型の EOM をStimulated Emission of Radiation”の各頭⽤いて発⽣させた。インライン型の EOM

⽂字をとって LASER といい、共振器を⽤

光コムではサイドモードの SNR が低くないて光を増幅して得られる⼈⼯的な光でり、+10 次などの⾼次モードにレーザーある。レーザー光は指向性や収束性、単⾊の周波数を同期させるのが困難であった性に優れているという特徴を持つ。レーためである。

ザーを⽤いた光通信では、レーザーの周⼆点⽬が、マイクロ ECLD(TTX11537)波数の⾼さによって広周波数帯域、⼤容を⽤いて、位相同期レーザーを発⽣させ量の通信が可能である。また、レーザーのる⽅法である。この場合、光周波数コムに指向性の良さにより通信の秘密保持が容同期させるのではなく、同じマイクロ易である。これらの理由で、現在では光フECLD を 2 台⽤意してそれらを位相同期ァイバーを⽤いた光通信が盛んに⾏われする。まず、このマイクロ ECLD を出⼒ている。⼤容量の光通信には、狭い光周波周波数を⾃動で制御するためのアプリケ数間隔の基準が必要である。ITU-T（国際ーションを LabView を⽤いて作成した。

通信連合の電気通信標準化部⾨）ではこ周波数に対応する、アクチュエーターのの基準として「周波数グリッド」を勧告し印加電圧を出⼒アプリケーションである。ている。周波数グリッドは当初は波⻑ 1.5

次に、2 台のマイクロ ECLD のビート周μm 近辺で 100GHz 間隔のものと考えら波数を、注⼊電流によって動かせる事をれていた。しかし、最近では 12.5GHz 間確認した。最後に、制御回路を通して、マ隔のものも考えられおり、様々な周波数イクロ ECLD に不帰還し、位相同期を試間隔のものがある。つまり、より⼀層⾼いみた。

光周波数の制御技術が求められているのである。この技術を可能にするのが、位相同期レーザーである。本研究では、位相同期レーザー作成のために２点の⽅法を⽤いた。

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2. 原理2.2 光周波数コムについて

2.1 マイクロ ECLD の原理

周 波 数 コ ム は 、 John L. Hall 博 ⼠ と本実験で⽤いたレーザーは、PURE

Theodor W. Hansch 博⼠によって開発さ

PHOTONICSのPPCL300とNeo Photonics

れた光領域において周波数軸上に等間隔社のTTX11537である。これは、フィルの縦モードが並んだ光である。現在では、ター型のECLDである。⼩型ながら狭線光の物差しとして精密測距や光領域での幅のレーザーを出⼒する。周波数操作の周波数計測、広帯域の周波数基準としてアクチュエーターは⼤きく２つに分類さ応⽤されている。具体的には光周波数コれる。粗く周波数操作をするアクチュエ

ムは時間領域では超短パルスが⼀定時間ーターと、細かく周波数操作をするアク間隔で並んだものであり、周波数領域でチュエーターである。粗く周波数を操作は発振モード（縦モード）が⼀定間隔で並するのは、内部に内装された⼆枚のエタんだものである。周波数領域においてのロンフィルターへの印加電圧である。こ

光周波数コムの姿が櫛(comb)に似ているの⼆枚のエタロンフィルターは異なる透ことから、光周波数コムと呼ばれている。

過率のものである。細かく周波数を操作

光周波数コムの n 番⽬の縦モード周波数

するアクチュエーターはゲインチップへ

fn は、繰り返し周波数 frep とオフセット周の注⼊電流と、レーザーの基盤の制御端

波数 fceo を⽤いて式(2.1)表される。光コム⼦への印加電圧である。PPCL300は、の概念図は図 3 に⽰す。

RS-232というアプリケーションを⽤い

fn = fceo + n ⋅ frepて、これらのアクチュエーターへ制御を(2.1)

全て⾃動化してある。TTX11537は⾃動化されていない。で

図 3 光周波数コムの概念図
図１

マイクロ ECLD の原理図

2.3 共振器型 EOM 光コムについて

光周波数コム[7]は様々な⽅法で実現できる。本研究で⽤いた光周波数コム発⽣器ODCG(Optical frequency comb generator)
はEOM(Electro Optic Modulator)を⽤いて⼊射された光に位相変調を加える⽅式の図２ものである。ここから、共振器型EOMを

PPCL300（左）と TTX111537（右）⽤いた光コムの発⽣原理について述べる。

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まず、EOMについてだが最も単純なのる。これによってサイドモードを求める

は、屈折率が局所的な電界の強さの関数ための以下の式2.4が導き出される。

であるニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの電気光学結晶で構成されているものであ𝐸(𝑧, 𝑡) = 𝐴. 𝑒 012;0∆<=0>18る。これに電圧をかけた場合、電気光学= 𝐴𝑒 012 @𝐽B (∆𝜃)

効果によって結晶の屈折率が変わるので(2.12)

E

結晶の⼊射光に対して位相変調をかける+ C 𝐽D (∆𝜃)𝑒 0D∆<2ことができる。ここで、印加電圧を周期DFGE的に変化させた場合の電場について考え+ C(−1)D 𝐽D (∆𝜃)𝑒 90D∆<2 Hる。z⽅向に伝搬する電場E(z,t)は、⽐例DFG定数AZ、各周波数ωを⽤いて式2.2で表す
以上より、⼊射光の周波数を中⼼にことができる。

EOMの変調周波数ω# の間隔でサイドモ
𝐸(𝑧, 𝑡) = 𝐴. 𝑒 012

ードが発⽣して光コムが実現できること(2.2)

がわかった。
サイドモードのスパンを広げるためにこのsinに恒等展開を適⽤すると、式2.2は補償をする必要がある。そこで、EOMは式2.3で書くことができる。

をファブリーペロー共振器中に置く。共振器の⼲渉効果によって分散補償をす

𝐸(𝑧, 𝑡) = 𝐴. 𝑒012 31 +∆𝜃 01 2(𝑒 82る。⾼フィネスの共振器を利⽤することで数百台のEOMを直列に並べた場合と同じ効果が得られる。これによってスパン− 𝑒 90182 ):の⼤きな光周波数コムを実現している。
= 𝐴 3𝑒 012+∆𝜃 0(1 ;1)2𝑒 82−∆𝜃 0(191 )28 :𝑒2

EOM型光周波数コム発⽣器の概略図を図(2.3)

４に⽰す。

この式から、元の信号に加えて𝜔 − 𝜔#と𝜔 + 𝜔# に⼆つの⼩さなサイドモードを持っていると解釈することができる。

図4

現実には無限にサイドモードが存在す

共振器型EOMを⽤いた光周波数コム発⽣器る。ヤコビ・アンガー拡張と呼ばれるベッセル関数を含む有⽤な恒等式存在す
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3. 実験

3.2 光コムを⽤いた ITLA の位相同期

3.1 共振器型光周波数コムの発⽣

図７に、実験セットアップの概略図を⽰

本研究で発⽣させた共振器型 EOM 光コ

した。

ムの実験のセットアップの概略図を、図 5に⽰す。実際に発⽣した光コムのスペクトルとインライン型の光コムのスペクトルの⽐較を図６に⽰した。

ITLA を４台⽤いて４チャンネル位相同期レーザー信号を実現する。⼀台の ITLAを EOM の OFCG に⼊射させての光コム
図５を発⽣させる。この光コムのスペクトル実験セットアップを、25:75 と 50:50 のファイバーカプラを⽤いて三つに分配する。分配された光コ
ムと ITLA2〜4 のビート信号を PFD に⼊射させ、60MHz のローカル周波数とミックスし、誤差信号を取得する。この誤差信号をサーボ回路を通して ITLA の電流変調端⼦に不帰還することで、位相同期を試みた。
結果を図 3.5,3.6 に⽰した。また、
ITLA1〜4 の周波数と光コムのスペクトルは常にモニターできるように、1:99 のファイバーカプラで Output 信号を設けた。
結果を、図 8,9 に⽰す。図 8 より、波⻑1.5μm 帯において、複数の帯域で 4 チャンネルのレーザーが 125GHz 間隔に周波数同期されている事が確認できる。
図9では、ビート周波数のスペクトルを確認したが、中⼼周波数 60MHz のサイドモード
図６のキャリアのパワーが抑制されていない。

共振器型 EOM 光コム（上）とインラ

これは、注⼊電流変調における制御帯域イン型 EOM 光コム（下）の⽐較が不⾜している事が原因であると考えられる。
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的に周波数を変化させることが可能であると⾔える。印加電圧を最適化し、ゲインチップとシリコン基盤で制御することで、全ての周波数領域におけるアクチュエーターの値を特定することができた。周波数に対応するアクチュエーターの値を表にしたものを、「周波数マップ」と呼ぶことにした。
図８ 位相同期した際のレーザーのスペクトル

3.4 出⼒周波数の⾃動制御3.2 で、周波数に対応するフィルター１、２、Si 基盤の印加電圧の値が全て把握できた。これらの電圧は、デジタルアナログコンバータ（DA コン）で印可する事にした。ここでは、周波数に対応する電圧を⾃動で出⼒するアプリケーションをLabView を⽤いて作成した。アルゴリズ
ムを図 10 に⽰した。

図9
ローカル周波数 60MHz と ITLA のビート周波数のスペクトル

3.3 マイクロ ECLD の周波数制御

マイクロ ECLD では、ゲインチップとシリコン基盤によって 50GHz 周波数を変化させられることがわかっている。つまり、エタロンフィルターによって周波図 10 周波数マップ出⼒アルゴリズム

数を５０GHz 感覚で制御することができれば、全ての周波数を出⼒できる。しかし、この際注意した事は、電圧変化の際の動き実際にエタロンフィルターで周波数を制である。マイクロ ECLD は、印加電圧の上御したところ、いくら印加電圧を細かくげ下げによるヒステリシスが確認できた。

変化させても、連続的でなく離散的に変よって、電圧を変化させる際には、⼀旦０V化してしまった。これは、出⼒周波数が２を出⼒してから⽬的の値を出⼒するように枚のエタロンフィルターの透過率の共通プログラムを設定した。

部分によるものであることが原因であると⾔える。つまり、⼆枚のエタロンフィル

3.5 マイクロ ECLD のビート周波数測定

ターへの印加電圧を最適化すれば、連続

まず、3.3 のシステムを⽤いて周波数セ5

ットを⾏い、193.8175THz 付近でのビーた。

ト周波数を測定した。この際、PFD で位相同期に必要な誤差信号を取得するため、 3.6 位相同期
このビート周波数の SNR は 30dB 以上で3.3~3.5 を使って、位相同期の実験をしなければならない。
結果を図 11 に⽰した。

た。この際に⽤いたサーボ回路は実験室で作成した。⼆台のマイクロ ECLD のビート周波数を PFD を⽤いてローカル周波数とミックスし、その位相差がゼロになるような制御をサーボ回路を⽤いて作り、マイクロ ECLD に負帰還した。結果を図１２に⽰す。

図１１ 2 台のマイクロ ECLD 間のビート周波数のスペクトル位相同期する際は、マイクロ ECLD への注⼊電流によってレーザーの周波数に図１２ ローカル周波数とのビートスペクトル制御をかける。そのため、ここではマイクロ ECLD の駆動に⽤いているカレントドライバーに電圧をかけてビート周波数が

図１２より、中⼼周波数はロックされているもの実際に動くかどうかを確認した。結果をの、位相同期ができていないことがわかる。サーボ

図 12 に⽰した。

回路が最適化されていないことが原因として考えられる。

4. 展望

サーボ回路を最適化することで、中⼼周波数付近にパワーが集中し、サイドモードのパワーが抑制された、正確な位相同期が実現できるだろう。
図１２

5. 参考⽂献

注⼊電圧端⼦へ+0.01V 印加した時のビ[1]ートスペクトル

S. A. Diddams, ei al. “Direct link between

microwave and optical frequencies with a 300 THz
図 11,12 より、ビート周波数をゲインチップの注

femtosecond laser comb” Phys. Rev. Lett. 84 (2000)

⼊電流によって操作できること、30dB 以上の SNR

5102-5105のビートスプクトルが取れていることを確認でき

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