1.5 m 帯光周波数コムを用いたデュアルコム分光システムの開発
武者研究室

齊藤 洋平

1. はじめにることにより行われるが、光周波数コムはそ分光とは原子・分子がそれぞれの構造に応じの広いスペクトルにより一度の測定で、多くた固有の吸収スペクトルを持つことを利用しの情報を取得することが可能である。しかし、て、未知の試料の同定や解析、さらには濃度光の周波数は直接検出不可能であるため、そ測定などを行うことが可能な技術である。その周波数決定には測定光と基準光とのビートの分光を行うに当たり、注目されている手法をとってダウンコンバートすることで、マイとして 2 台の光周波数コムを用いたデュアルクロ波で観測可能にする必要がある。また、

コム分光法[1]がある。この方法は 2 台の繰り光周波数コムのスペクトルの広さは 1 THz 以

返し周波数 frep がわずかにfrep ずれた光周波数上になるため、通常のビート検出でその全てコムを用いることで、ミラー掃引の必要ないを一度に測定することは通常のフォトディテフーリエ分光を行う方法であり、機械的的掃クターでは不可能であり、その利点を十分に引を排することによって従来のフーリエ分光引き出すことができなかった。そこで 2 台の法以上の測定速度を実現できるだけでなく、frep が Δfrep だけ異なる光周波数コム基準光とし高分解能かつ小型なセットアップが実現可能てビートを検出し、Δfrep 間隔のビートとして光であり、従来以上の精密分光測定やリアルタ周波数の情報を観測することで frep を圧縮し、イム測定、そして従来では不可能なレベルの全ての情報をワンショットで観測可能にする

高速な現象の観測などが可能になることが期

方法がデュアルコム分光法である（図 1）。こ

待されている。しかし、その分光範囲は未だのようにして一度にすべての情報を取得する

FT-IR に及ばず[2]、より有用な分光対象が存ことで、超高速分光を可能にしており、その在する赤外領域は光源の不足が問題となって測定時間は Δfrep の逆数で決定される。周波数いる。

軸上ではこのような解釈ができるが、時間軸我々は赤外分光システムの研究のため、ま上では、フーリエ分光法でミラーを掃引するず安定動作が可能な Er 添加ファイバにより構ことにより 2 つの経路の光の遅延を変化させ成された 2 台の近赤外 1.5 m 帯光周波数コムていた手法を、2 台の時間上のパルス間隔=の開発を行ってきた。まずは、このデュアル

frep-1 がわずかに異なる光周波数コムを干渉さコムにより分光を行い、その結果を評価するせることにより時間的遅延を掃引しており、ことを目標としている。

これにより得た自己相関関数をフーリエ変換

2. 原理することでそのスペクトルを取得しているこ

光周波数コムとは周波数軸上に等間隔に並とになる。

んだ縦モードを持ちその n 番目のモード周波数 fn はその間隔 frep と周波数軸上のオフセット成分である fceo を用いて次のように表せる。
fn=fceo +n frep … (1)
通常の精密分光は、波長可変の光源を用意す1これは産総研で開発された Er 添加ファイバ
モード同期レーザーによる光周波数コム[4]を参考に構築され、片方は共振器長をステージの遅延により可変にすることで、frep を大きく変化させることが可能になっている。また、それぞれファイバの一部を円筒型の圧電素子(PZT)に巻きつけることにより、frep を電気的に制御可能にしている。これにより、圧電素子によるフィードバック制御によって、frep の安
図 1 デュアルコム分光の原理図定化を可能にしている。

測定速度において利点を持つ反面、その測共振器からの出力はファイバカプラによっ定範囲 fdyn には次の式で決まる制約が存在する。て 1:1 に分岐され片方の出力はそのままフォ𝑓𝑑𝑦𝑛 =

𝑓𝑟𝑒𝑝 2
2∆𝑓𝑟𝑒𝑝

トディテクタ(PD)によって検波され、その信号… (2)を用いて frep 制御を行い、もう一方の出力は f-2f

例えば𝑓𝑟𝑒𝑝 =250 Hz で𝑓𝑟𝑒𝑝＝54 MHzの場合ワン干渉計へと続いている。

ショットの観測帯域は 40 nm 程度である。

次に共振器長固定コム(固定コム)と共振器この式より、分光範囲を広げるためには Δfrep

長可変コム(可変コム)のモード同期時のスペを小さくする必要があることが分かるが、デクトルを示す。

ュアルコムビート線幅が Δfrep より細い必要が-20ある。また、高速測定のメリットとして短時-30power [dBm]間に多くの測定データを取得できるため、測定データの積算による SN 比の大きな向上が見込めるが、積算可能な測定時間はビート線-40-50幅の逆数で決定されてしまう[3]。そのためデ-60ュアルコム分光を行う上では狭線幅な光周波-70数コムのために、frep と fceo の両方の相対的な安-801450定化が必要である。
3. モード同期レーザー概要及び frep 安定化

15001550
1600
wavelength [nm]1650

図 3 モード同期時のスペクトル(固定コム)

2 台の光周波数コムの概要を図 2 に示す。

0power [dBm]-10-20-30-40-50-601450

図 2 光周波数コム概要図

15001550
1600
wavelength [nm]1650

図 4 モード同期時のスペクトル(可変コム)2スペクトルの形状からわかるように、共振器ため、デュアルコムビートはさらに安定であ内の分散は正常分散よりになっている。このる可能性は十分である。

ときのそれぞれの frep はおよそ 54 MHz 程度で4. f-2f 干渉計による fceo の検出及び安定化あり、その出力は 5 mW 程度であった。

次に光周波数コムを完成させるうえで重要

次に frep の安定化を行った際の周波数安定度

な fceo 検出のための f-2f 干渉計の開発を行った。のアラン分散を示す。

そのセットアップを次に示す。

図 7 f-2f 干渉計のセットアップ
f-2f 干渉計はモード同期レーザーのスペクトルを非線形効果によってオクターブまで拡大し、スペクトル内で長波長側の光の第 2 高調波を短波長側の光と干渉させることで fceo を

図 5 固定コムの𝑓𝑟𝑒𝑝 の周波数安定度検出する方法であり、式で表すと次のようになる。
2fm-fn= 2fceo + 2mfrep – ( fceo + nfrep)= (2m - n)frep + fceo…(3)このとき式(3)の frep の逓倍の項は電気のLPF(Low pass filter)によって容易に切り落とせるため、fceo の検出が可能である。
実際のセットアップは共振器からの出力をEDFA(Erbium doped fiber amplifier)によって増幅し、HNLF(High nonlinear fiber)を伝搬させることで非線形効果によってオクターブまでス

図 6 可変コムの𝑓𝑟𝑒𝑝 の周波数安定度ペクトルの拡大行い、その光を第 2 高調波発

この時周波数安定度は基準の周波数分の揺

生用の PPLN(Periodically poled lithium nionate )らぎf / f によって定義している。図 5,6 からそに入射し、SN 比向上のため BPF(Band pass

れぞれの安定度は基準周波数の安定度によっfilter)と LPF(Long pass filter)によって 1 m のてリミットされていることが分かる。デュア

光以外の光を遮断し、PD で受光している。こルコム分光においては線幅、つまりは短期のの方法によって検出された fceo を次に示す。

安定度が重要になるが、その安定度は一秒で10-11 を達成した。それぞれの frep の光領域における寄与は、frep の安定度は相対安定度である
ためおよそ 2 kHz 以上であることになる。しかしながら,同じ周波数基準に同期した場合その絶対的なゆらぎは相対的にキャンセルされる
3

図 9 安定化した fceo（共振器長固定）
このとき RBW:1 kHz

図 8 検出された fceo(共振器長固定)

VBW:1kHz であった。

始めに検出した際には制御に必要な SN 比

図 8 をみてわかるように fceo の周波数成分のほである 30 dB 以下の SN 比であったが、アラとんどを中心のコヒーレントピークに集めるイメントや HNLF の長さ,HNLF 入射前のパルことができている。この時の制御帯域はおよスに与える分散を変化させることでオクター

そ 200 kHz であった。もう一台の共振器も同ブ光のスペクトル形状の変化や雑音の振る舞様に f-2f 干渉計の開発と fceo の安定化をおこないの変化[5]などを調整し、必要な SN 比 30dBった。このときの f-2f 干渉計のセットアップ以上を達成することができた。

は図 7 とほぼ同じであったが、異なる点とし次にその安定化実験を行った。fceo の安定化て EDFA の励起 LD を 975 nm にしさらに励起は共振器励起用 LD の電流に誤差信号をフィ方法を双方向励起から後方励起に変更した。

ードバックすることによって制御可能である。

その結果 fceo の検出に成功し、その時の SN 比このとき制御帯域拡大のため、LD ドライバのは 30dB 程度であった。同様に共振器の励起用変調端子への帰還に加えて LD のゲインチッ

LD の電流制御によって fceo の安定化を行った。

プへの直接帰還との併用制御による制御を行安定化した fceo を次に示す。

った。これは LD ドライバが高次の LPF の特性を有しており、その特性によって制御帯域が制限されてしまうため、直接電流を LD にフィードバックすることによって、より広帯域の制御帯域を実現するためである。制御回路の最適化を行い安定化した結果を次に示す。

図 10 安定化した fceo（共振器長可変）4こちらも同様に十分に fceo の線幅を狭窄化

ム発振器を基準としたシンセサイザに位相同できていることが分かる。このときの制御帯期をしている。それぞれの出力をファイバカ

域はおよそ 150 kHz であった。

プラによって合波し、光ファイバアンプによ

次にそれぞれの fceo の安定度を評価するたってその出力を増幅しその信号光を PD によめに、周波数安定度のアラン分散の測定を行って受光している。このときのfrep はおよそった。その結果を次に示す。

100 kHz に設定していたため、エイリアシング防止のため BPF を挿入している。得られたインタフェログラム（干渉波形）を高速フーリエ変換することでデュアルコムビートの検出を試みた。その結果を次に示す。

図 11fceo のそれぞれの周波数安定度

このとき左縦軸は光の周波数に対する fceoの周波数安定度を表し右縦軸は制御の参照信号に用いたマイクロ波に対する fceo の安定を示している。
図 11 から光の周波数域の fceo の寄与は一秒-17

図 12 検出できたデュアルコムビート台であり、これは平均時間一秒の際の fceo

図 12 から設定した 100 kHz 間隔のデュアのゆらぎが 0.1 Hz であることを示している。

ルコムビートを検出することができているこ

このことから両光周波数コムの fceo のゆらぎとが確認できる。このときのビート線幅を測はデュアルコム分光に用いる上でほぼ無視で定したところおよそ 2 kHz であった。このこきる程度まで安定化できたことがわかる。とから式(2)から求まる現在のワンショットの

10

5. デュアルコムビート検出

分光帯域はおよそ 1 nm 程度であり、一回の測以上から 2 台の光周波数コムの完成が確定でおよそ数本の線形吸収を測定可能である。

認できたため、デュアルコムビート検出実験

しかし、この範囲はモード同期レーザーのスを行った。その実験系を次に示す。

ペクトルの全てを活かしきれておらず、積算可能な時間も十分に長いとは言えないため、実際に分光結果の評価の前にビート線幅のさらなる狭窄化を行う必要があると考えた。
6. デュアルコムビートのさらなる狭窄化実験
現在の光周波数コムの短期安定度は図 5,6,11

図 11 デュアルコムビート検出系

から frep によって支配されていると考えられ

2 台の光周波数コムはそれぞれ同じルビジウ
5

る。
これ以上の frep の安定度を得るためには frep

これより得られたビート周波数を片方のを縦モード間のビート周波数を安定化するの共振器の PZT にフィードバック制御することではなく、光の領域で直接安定化することでによりその安定化を図った。その結果安定化さらなる安定度が得られる。これは frep を縦モすることには成功したもののコム間ビートをード間のビート周波数で安定化した場合は式狭窄化することはできなかった。これは PZT(1)からわかるようにその安定度が N 逓倍されによる共振器長制御の制御帯域が 1 kHz と十てしまうためである（図 13）。

分に高速制御可能ではないためである。そのため、今後は高速 PZT や EOM などの高速アクチュエーターを用いた共振器長制御の高速化を行う必要がある。
7. まとめと今後の展望
中赤外分光システムのための近赤外デュアルコム分光装置の開発をおこなった。2 台の光図 13 freo を安定化した場合と周波数コムを完成させ、デュアルコムビート

光領域で直接安定化した際の比較の検出に成功したものの、広帯域の分光のた

また、今回の場合は相対的な安定度で構わなめにはさらなる共振器長制御の高速制御化がいため、光周波数コム間のビート周波数を片必要であることが分かった。今後は高速制御方の共振器長制御によって安定化することで、化によるデュアルコムビートの狭窄化の後、さらなる短期の安定度を得ることができる。

分光によるシステムの評価を行う。その後に、中赤外分光のための実験を行っていく。

しかし、今回の場合光コム間のビートは通8. 参考文献

常の CW レーザーのように得ることはできない。なぜならデュアルコムビートがコム間ビ[1] I. Coddington, W. C. Swann, and N. R.

ートとして検出されてしまうためである。そNewbury, Phys. Rev. Lett. 100, (2008)のため、CW レーザーとそれぞれの光周波数013902コムのビートを検出し、その信号を電気ミキ[2]I. Coddington, W. C. Swann, and N. R.

サによって差周波を検出することにより CW

Newbury,Optica 3,(2016) 414-426

レーザーの影響を受けずにかつ、デュアルコ[3] I. Coddington, W. C. Swann, and N. R.

ムビートフリーなコム間ビートを検出する方Newbury Phys. Rev. A 82, 043817

法を選択した[6]。その実験セットアップを次[4] Inaba, Hajime, et al. Optics express 14に示す。

(2006) 5223-5231[5]Washburn, Brian R., and Nathan R. Newbury.,
Optics express , 12, (2004) , 2166-2175[6] Kuse, Naoya, Akira Ozawa, Yohei Kobayashi.
Applied Physics Express 5 (2012) 112402

図 14 コム間ビート検出実験セットアップ
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