重力波検出用光干渉計光源のためのファイバ MOPA の特性向上
電子工学科

植田研究室

三浦純一

本研究では、重力波検出用光干渉計光源にファイバ MOPA が使用されることを最終目標とし、特性向上を試みた。まず、長さ 10m のファイバを使用し出力特性について評価した。次に、ファイバへ曲率を与え単一横モード化した状態で強度雑音、周波数雑音の特性測定と雑音抑制の評価をした。また、ファイバから出射時の偏光のゆらぎについても評価した。最後に、今後の予定を示した。

はじめに

1.

図 2.1 の吸収スペクトルを見ると、全体的にス

現在、重力波を検出するために超高感度のファペクトル幅が広く、励起用 LD に対する制約が大ブリーペロー･マイケルソン干渉計が用いられて幅に緩和される利点もある。その中でも 975nm-6いる。この光源には、高安定性（⊿f/f<10 Hz/√付近は、吸収、放出どちらにもピークがある。

Hz、⊿P/P<10-81/√Hz）と同時に、干渉計のショ

975nm を励起波長に用いる場合は、スペクトルット雑音を相対的に抑えるため 100〜300W以上幅が狭いため高制度の制御が必要となる。の出力が要求されている。
本研究では、ファイバ MOPA（Master Oscillatorand Power Amplifier）システムが光源として有効であると考え、開発を行った。ファイバ MOPAとは、主となるレーザー光をダブルクラッドファイバ（DCF）内で増幅させるシステムである。このシステムは、ファイバを使用しているため冷却効率が高く、伝搬モードで空間モードが決定するなどの特徴をもつ。

2.

原理

2.1

Yb

図 2.1 Yb3+の吸収、放出スペクトルファイバのコアへYbを添加した。Yb3+のエネル
ギー準位は、2F5/2と2F7/2のほぼ 2 準位である。そ2.2

誘導ブリユアン散乱（SBS）のため、励起波長やレーザー波長における励起吸SBS は光ファイバ中で起こる非線形過程であ収状態（ESA）、高エネルギー励起状態に移行しり、誘導ラマン散乱（SRS）よりも低い入射パワたフォトンによる光放出（upconversion）が起きーで起こる。入射波の周波数のずれにより小さいないため、高密度励起が可能という特徴がある。

周波数をもつストークス光の発生という形で現

また、Yb3+のイオン半径はY3+に近くNd3+イオンれ、その周波数のずれは非線形媒質によって決まに比べイオン半径が小さいため、高濃度添加したる。SBS と SRS の大きな違いは光ファイバ中で時に濃度消光が起きにくい。そのため、高濃度添

SBS 起こるとストークス光は後ろ向きに伝播す加が可能で、ファイバ長を短くすることができる。

るのに対し、SRS では両方向に伝播する。また、

Yb3+イオンには再吸収があり、再吸収を避ける為

SRS には光学フォノンが寄与するのに対し、SBSに、強励起が必要となる。には音響フォノンが寄与する。以下へブリユアン

閾値を示す。
cr0

P= 21

力には、クラッドモードも含まれている。クラッドモード除去のために、最後に空間フィルタ（アAeffイリス）を設置した。

g B Leff

Aeff：有効コア面積3.2

周波数雑音抑制装置

gB：ブリユアン利得のピーク値
Leff：有効相互作用長

信号光
EOM

ファイバ

本研究では、コア径 11μm、Yb を使用し有効共振器
F =50000

相互作用長を短くすることで、ブリユアン閾値をシンセサイザ〜15MHz上げて SBS を避ける対策をとった。

3.

ファイバ MOPA 装置の設計

3.1

ファイバ MOPA 装置
λ/2

LD
電流源

λ/4

PD

DBM

サーボ回路

PBS

図 3.2 周波数雑音抑制

信号光
EOM

水冷器

アイリス

信号光と MOPA の周波数雑音を測定してみた

ｆ＝11

ところ、両者の周波数雑音はほとんど一致した。
励起用
LD

ｆ＝118°研磨
ダイクロ
ミラー ｆ＝11

ファイバ

増幅動作による周波数雑音悪化がないことから、信号光を制御することで周波数雑音抑制が可能であると予想した。

アイリス

図 3.2 に周波数雑音抑制装置を示す。周波数雑図 3.1 ファイバ MOPA 装置

音抑制のため、高フィネスのファブリーペロー共振器を周波数基準とし、Pound-Drever-Hall 法に

図 3.1 にファイバ MOPA 装置の概略図を示す。

より誤差信号を求める。その誤差信号を、サーボ信号光に発振波長 1064nm、出力 500mW の半導回路を介した後に信号光へ負帰還させることで、体レーザー励起モノシリック型 Nd:YAG レーザ

増幅器出力の周波数雑音抑制を試みた。

ー（NPRO）を使用した。励起光源には、発振波
長 975nm、最大出力 21.9W（実測値）のファイバ結合レーザーダイオードアレイ（LD）を使用した。LD の温度制御方法は、ペルチエを用いた

3.3

強度雑音抑制装置
λ/2

変調端子
LD
電流源

信号光
EOM

水冷器

直接温調のため、0.1℃以下まで温度制御が可能

アイリス

ｆ＝11となった。結果的に、励起光出力のゆらぎがかなり減少した。増幅媒体には長さ 10m の Yb 添加のDCF を使用した。ファイバの両端面は 8°研磨することで、共振器を組ませないようにしている。
また、励起光を信号光とは逆端面から入射させる

励起用
LD

ｆ＝11

サーボ回路

8°研磨
ダイクロ
ミラー ｆ＝11

アイリス

PD

逆方向励起を採用することにより、効率良く増大させることを可能にしている。得られた増幅器出

図 3.3 強度雑音抑制装置

ファイバ

信号光と MOPA の強度雑音を測定してみたと
ころ、信号光に比べ MOPA の相対強度雑音は、改良により 80％程度まで改善可能となったので、今後増幅器出力をもう一度取る予定である。

10Hz 付近において 2 桁程度悪化していた。この悪化の大きな原因は、励起光源の出力のゆらぎと4.2

モード選択

外部からの音響や地面振動などが考えられる。そ増幅媒体のファイバは、SBS の閾値を上げる

こでまずは、励起光源を制御することで強度雑音ためコア径の大きいものを使用しているので、多抑制が可能であると予想した。

重モード出射である。出射モードを単一横モード

強度雑音抑制のため、増幅器出力の一部をフォにさせるため本研究では、ファイバへ曲率を与えトディテクタで受光し、この値を電圧リファレンることで余分な高次伝搬モードの抑制を行った。

スと比較して誤差信号を求めた。サーボ回路を介

図 4.2 のようにファイバの一部の曲率半径をした誤差信号を LD の電流源の変調端子に負帰還25mm まで小さくすることで、単一横モード出射させ雑音抑制を行った。

を得た。この時の増幅器出力を測定すると、単一横モードにする前後でほとんど変化がなかった。

3.4

更に最小曲率半径を小さくした場合について偏光特性ファイバの出射モードを単一横モード化させも、出射モードの測定を行った。最小曲率半径をる際に、ファイバへ曲率を与える方法を用いると、小さくしようとした結果、図 4.2 の右側部分には出力の偏光ゆらぎへつながる恐れがある。そこで、大きな曲率を与えることができたが、中央に直線

図 3.4 のような実験系を組み偏光のゆらぎの評価部分ができてしまったため、最小曲率半径 20mmを行った。具体的には、λ/4 板とλ/2 板を通し、の時には、単一横モードを得ることが出来なかっ

最後に PBS で p 偏光と s 偏光に分けた光を PDた。これより、ファイバに曲率を与えて単一横モで検出する。λ/4 板を調節し直線偏光にした後、ード化する場合、ファイバの全体の形を考慮にいλ/2 板を調節し p 偏光と s 偏光の出力を等しくすれる必要があることがわかった。

る。この状態で 1 秒毎に 1 時間それぞれの出力を観測した。
PD
P1 S偏光

増幅器
出力P偏光
PDP2P
PBS

λ/2・最小曲率半径25mm・最小曲率半径20mm

λ/4

図 3.4 偏光特性実験

4.

ファイバ MOPA の評価

4.1

出力特性

励起用 LD を 1 台使用し、10.9W の増幅器出力を得ることができた。この時の光−光変換効率は80.7％、スロープ効率は 83.0％と非常に高い値を得ることができたが、結合効率は 65.9％と今後改善の余地がある結果となった。しかし、光学系の図 4.2 ファイバへ曲率を与えた場合

周波数雑音抑制

4.3間の測定で、偏光回転角は±0.05°内でほとんど

図 4.3 に周波数雑音抑制結果を示す。10Hz 付

偏光が回っていないことが確認できた。仮に、フ近において、2 桁前後雑音抑制が観測された。しァイバ中で偏光がまわっていても、出射時には偏かし、雑音抑制できた周波数帯域は、1kHz 以下光が安定していることが確認できた。と狭い。更に、300Hz 付近をみると、抑制前も抑0.03

制後も大きな雑音がのってしまった。

0.020.01

Angle [deg]100Free Run
Stabilization

PSD [Hz/sqrtHz]

100-0.01-0.02-0.03

1-0.04-0.05

0. 10500

1000

1500 2000

2500

3000 3500

4000

time [s]図 4.5 偏光特性

0. 01
101001000104105Frequency [Hz]図 4.3 周波数雑音抑制

5.

結論
Yb 添加ファイバ MOPA を作成し、励起用 LD1台で最大 10.9W の増幅器出力が得られた。

強度雑音抑制4.4

図 4.4 に強度雑音抑制結果を示す。10Hz 付近

周波数雑音抑制には、信号光源の制御をするこにおいて、3 桁前後雑音抑制が観測された。しかとで可能であるという原理実証ができた。強度雑し、雑音抑制できた周波数帯域は 2〜3kHz 以下

音抑制には、励起光源の制御をすることで可能でと狭く、更に 10kHz 付近に雑音がのっている。

あるという原理実証ができた。また偏光回転角を

これは LD の変調端子が 10kHz で高次の LPF と定義し、偏光のゆらぎがほぼないことを確認した。

なっていたため、発振しかけていると考えられる。

6.今後の展望0.001

出力特性増加のためには LD を 2 台使用し、フFree Run
StabilizationRIN [1/sqrtHz]

0. 000110ァイバの両端面から励起する双方向励起、同一レーザーを複数のファイバで並列に増幅し、それぞ-5れの出力光を足し合わせるコヒーレント加算が10 -6有用であると考えられる。
10-7

更なる雑音抑制のためには、周波数雑音、強度雑音それぞれのサーボ回路の最適化が必要であ

10 -8101001000

104105Frequency [Hz]図 4.4 強度雑音抑制る。広帯域にわたって強度雑音抑制するためには、誤差信号を変調端子へ返す方法と、LD へ直接返す直接電流注入法を併用することで、可能である

4.5偏光特性と考えている。300Hz 帯の周波数雑音特定には、

P 偏光と S 偏光の比をとった偏光特性を図 4.5

2 段振り子の使用によりファブリーペロー共振器へ示す。この測定は、あくまで直線偏光が維持さを高安定な状態にして、測定することで外部かられているという仮定のもとでの結果である。1 時の雑音か特定できる。