双方向動作型デュアルコムファイバレーザーの開発に成功

簡易、堅牢、高性能な実用分光システムの実現に向けて

2019-02-21　電気通信大学,科学技術振興機構

ポイント

１台のレーザー共振器から、広い波長帯域と高いコヒーレンスを持ち、繰り返し周波数の異なる２つの光コムを発生するデュアルコムファイバレーザーを開発した。
このデュアルコムファイバレーザーが発する２つの光コムは、高い相対安定性を持つことから、測定速度、感度、精度、分解能に優れたデュアルコム分光法の実用性や経済性を一層高め、光コムの応用が画期的に進展すると期待される。

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業において、電気通信大学の美濃島薫　教授、中嶋善晶　特任助教、秦祐也　博士前期課程学生らは、広い波長帯域と高いコヒーレンス^注１）を持ち、繰り返し周波数^注２）が異なる２つの光コムを発生するデュアルコムファイバレーザーを開発しました。

パルス光の繰り返し周波数が精密に制御された超短パルスレーザーである光周波数コム（光コム）は、周波数標準、高精度分光、高精度マイクロ波発生、天文観測、絶対距離測定などさまざまな分野において必要不可欠なツールになっています。特に光コムを用いた精密分光では、繰り返し周波数が異なる２つの光コムを光源に用いるデュアルコム分光法が提案されています。この方法は、第１の光コム（Ｓｉｇｎａｌｃｏｍｂ）に測定対象の原子や分子などの情報を記録し、第２の光コム（Ｌｏｃａｌｃｏｍｂ）とのインターフェログラム^注３）から分光情報を得るため、広帯域、高速かつ精密にデータを取得できる点が優れています。一方、２つの光コムには高いコヒーレンス性と安定性が要求され、複雑な制御系や信号処理系が必要であるためシステムが高価になり、利用の拡大が進んでいませんでした。

この課題を解決するため、１台のレーザー共振器から２つの光コムを発生可能なデュアルコムファイバレーザーを簡易な構成で実現しました。高性能かつ実用性の高い光コム光源として実績のあるエルビウム添加ファイバを用いたモード同期レーザー^注４）を基に、時計回りと反時計回りの両方向に対称的な共振器構成を採用し、モード同期を安定化する光学素子のみを共有しない構成としました。開発したレーザーは、２つの光コムに共通な原因で発生する雑音の抑制効果に優れ、高い相対安定性を備えています。さらに、このレーザーは堅牢かつ小型であるため、実用的で広帯域なデュアルコム分光装置を実現する有力な光コム光源となることが期待されるとともに、材料特性評価、イメージング、センシングなど、多くの分野への活用が期待されます。

本研究成果は、２０１９年２月２０日（米国東部時間）にアメリカ光学会（ＴｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ）の電子ジャーナル「ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ」で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業総括実施型研究（ＥＲＡＴＯ）

研究プロジェクト：「美濃島知的光シンセサイザプロジェクト」（グラント番号：ＪＰＭＪＥＲ１３０４）

研究総括：美濃島薫（電気通信大学情報理工学研究科　教授）

研究期間：平成２５年１０月～平成３１年３月

本プロジェクトは、光波の時間、空間、周波数、位相、強度、偏光など全てのパラメータを自在に操作でき、さまざまな応用に使えるところまで進化した知的光源を開発し、その未踏な応用分野を開拓することを目標としています。

＜研究の背景と経緯＞

光周波数コム（光コム）は、超短パルス光が一定の時間間隔で繰り返し発せられるモード同期レーザーを精密制御して得られる光パルス列であり（図１（ａ））、その光の周波数ごとの強度分布（スペクトル）は、櫛（Ｃｏｍｂ：コム）のように多数の鋭い櫛歯から構成されています（図１（ｂ））。光コムは、超精密、高分解能、広ダイナミックレンジ^注５）、超高速などの特長があり、周波数標準、高精度分光、高精度マイクロ波発生、天文観測、絶対距離測定などのさまざまな分野において応用が拡大しています。

光コムの数十万本から百万本にも及ぶ高精度な多数のモードは、さまざまな応用に有用ですが、広く用いられている光コムのモード間隔は１００ＭＨｚ程度であり、各モードを分解検出することは困難です。そこで、２台のレーザー光源による、わずかに繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐが異なる２つの光コムを用いたデュアルコム法が提案されています。この方法を用いた高精度分光はデュアルコム分光（図２）と呼ばれており、第１の光コム（Ｓｉｇｎａｌｃｏｍｂ）を被測定物に照射することで、測定対象の原子や分子などの特性を記録し、その後第２の光コム（Ｌｏｃａｌｃｏｍｂ）と干渉させて、その合成信号であるインターフェログラムを取得します。このインターフェログラムをフーリエ変換^注６）することで、２つの光コムによるマルチヘテロダインビート^注７）を、マイクロ波周波数領域に得ることができます。このマルチヘテロダインビートには、被測定物の情報が記録されています。この方法は、測定時に光路の長さを変える機構が不要であり、従来のフーリエ分光法^注８）に比べて、測定時間や感度および分解能などの点で非常に優れています。

一方、２つの光コムには高いコヒーレンス性と相対安定性が要求され、従来の２台のレーザー光源を用いたシステムでは、複雑な制御系や信号処理系が必要であるためにシステムが高価になり、利用の拡大が進んでいませんでした。

この問題を解決するために、外乱の影響を受けにくく、高いコヒーレンス性と相対安定性を容易に得られるデュアルコム光源の開発が求められていました。近年、１台のモード同期レーザー共振器を用いて、繰り返し周波数がわずかに異なる２つの光コムを発生する「デュアルコムファイバレーザー」の研究が行われるようになりました。しかし、これまでは、２つの光コムの最適化調整を同時に行うのが難しい、安定性が低い、実現できる周波数差に制限がある、光スペクトル帯域が狭い、位相雑音が大きい、キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ｃｅｏ（図１説明文参照）の検出が困難といった問題点があり、真にデュアルコム分光に適した光源は実現されていませんでした。

＜研究の内容＞

そこで本研究では、この問題を解決するために、高コヒーレントな超広帯域デュアルコムの発生が可能な、双方向動作型デュアルコムファイバレーザーの実現を目指し、１台のリング型ファイバレーザー共振器を用いて互いに逆回りのパルス光を発生させ、２つの光コム出力を得る高性能かつ実用的な光源の開発に取り組みました。

図３に、開発した双方向動作型デュアルコムファイバレーザーの構成を示します。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）とエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）により構成されるリング型の共振器を用いました。一般的に、モード同期ファイバレーザーでは、モード同期を容易にするために、単一方向動作にしています。しかし、本レーザーでは、２種類の光コムを生成するために、双方向動作としました。さらに、時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）方向で一部光路を分離しているため、両方向の光路長を任意に設定することが可能で、双方向の光コムのｆ_ｒｅｐを調整することができます。

次に、開発したデュアルコムファイバレーザーのモード同期動作時における光コムのスペクトルを調べました（図４（ａ））。その結果、両方とも中心波長は１５５０ｎｍ付近であり、半値全幅（ＦＷＨＭ）は５６ｎｍ程度と、双方向動作型デュアルコムファイバレーザーとしては非常に広いスペクトルが得られました。これは、位相雑音が低い広帯域のデュアルコム分光の実現には非常に重要な点になります。また、両方向ともｆ_ｒｅｐは３６．６ＭＨｚで、２つのｆ_ｒｅｐの差（Δｆ_ｒｅｐ）は約１．５Ｈｚという最小記録を達成しました（図４（ｂ））。Δｆ_ｒｅｐは数Ｈｚから数百ｋＨｚまで変えることができ、実験目的に応じて自由度の高い測定ができます。

さらに、開発した双方向動作型デュアルコムファイバレーザーのｆ_ｃｅｏの評価を行いました。ｆｃｅｏビート信号^注９）を測定するために、２つの出力光をエルビウム添加ファイバ増幅器、および非線形光学現象を発現する高非線形ファイバに導き、超広帯域光コムを発生させました。エルビウム添加ファイバ増幅器および高非線形ファイバは、ファイバの分散を調整することにより、広帯域光コムを発生させることができます。その結果、波長９００～２２００ｎｍに分布する１オクターブ以上の広帯域光を、両方向出力において同時に発生させることができました（図５（ａ））。

また、広帯域光コムの全波長域におけるコヒーレンスを評価するために、ｆ_ｃｅｏビート信号を検出しました。具体的には、全ての広帯域光を非線形光学効果を利用した波長変換素子に入射させることで、２０４０ｎｍ付近のコムモードの２倍波を生成し、１０２０ｎｍ付近のコムモードと混合しました。これにより、２つの超広帯域光コムからｆ_ｃｅｏビート信号を同時に検出することに成功しました（図５（ｂ））。今回、１台のデュアルコムファイバレーザーにおいて、光コムの重要なパラメータであるｆ_ｃｅｏを検出したのは世界で初めてのことです。このときの線幅は約１０ｋＨｚで、Ｓ／Ｎ^注１０）は約３０ｄＢでした。これらの結果は、２つの広帯域光コムが１オクターブ以上にわたって高いコヒーレンスを持ち、かつ低位相雑音であることを示しています。

最後にフリーラン状態でのＣＷ出力とＣＣＷ出力の２つの光コムのｆ_ｃｅｏおよびその差Δｆ_ｃｅｏの時間変化を調べました（図６（ａ）、（ｂ））。その結果、デュアルコム分光計測において、インターフェログラムを測定している間はΔｆ_ｃｅｏが一定、すなわちコヒーレンスが保たれているという非常に有利な点があることが示されました。また、２つのｆ_ｃｅｏとΔｆ_ｃｅｏは、半導体レーザー（ＬＤ）の駆動電流、すなわち励起パワーを変えれば変更できます（図６（ｃ））。このとき、２つのｆ_ｃｅｏの駆動電流に対する変化の割合（Δ／ΔＩ）は、それぞれ－０．５３ＭＨｚ／ｍＡと－０．９３ＭＨｚ／ｍＡでした。これは、２つの光コム（ＣＷ出力とＣＣＷ出力）のｆ_ｃｅｏが制御可能であり、実際に応用する際に重要な「可変性」が、開発した双方向動作型デュアルコムファイバレーザーにおいても担保されていることを示しています。

＜今後の展開＞

本研究では、実用的な応用に向けた簡易かつ堅牢な超広帯域デュアルコム分光システムを実現するために、高コヒーレントかつ超広帯域な双方向動作型デュアルコムファイバレーザーを開発しました。開発されたレーザーから出力される２つの光コムは１台のレーザー共振器から発生されるため、共通雑音の抑制効果による高い相対安定性を持つことが示されました。さらに、光学系の大部分がファイバで構成されていて堅牢かつ小型であるため、実用的かつ超広帯域なデュアルコム分光において強力なツールとなり、分光計測技術の発展に大きく貢献するものと考えられます。今後は、デュアルコム分光だけでなく、実用的な光コム光源が必要とされている他の応用分野、例えば、種々の材料特性評価、イメージング、センシングなどにおいて、有用な「実現技術」として広く利用されることが期待できます。

＜参考図＞

図１　時間領域と周波数領域における光コム

（ａ）時間領域での光コム波形で、５つの光パルスが描かれている。黒色はキャリア波と呼ばれる光電場波形で、それを覆う包絡線（赤色）をエンベロープと呼ぶ。

（ｂ）周波数領域での光コムのスペクトルで、その形状は櫛のような形をしている。周波数領域における櫛１本１本の間隔が繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐであり、この櫛を左端（０Ｈｚ）まで並べた時の余りがキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_ｃｅｏである。一方、時間領域では光パルス１個１個の間隔がｆ_ｒｅｐで決まり、キャリア波形が１周して元に戻る周期がｆ_ｃｅｏで決まる。

（ａ）と（ｂ）は、フーリエ変換の関係にある。ｆ_ｒｅｐとｆ_ｃｅｏは、ともに無線周波数程度の高周波（ＲＦ：ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯にある。光コムの任意の櫛歯（モード）ｆ_ｎは、ある整数ｎとｆ_ｒｅｐとｆ_ｃｅｏを用いて、_ｎ＝ｆ_ｃｅｏ＋ｎ・ｆ_ｒｅｐと表わすことができるため、この２つのパラメータｆ_ｒｅｐとｆ_ｃｅｏを電気的に精密制御することにより光コムを自在に制御することができる。

図２　デュアルコム分光法の概念図

図３　双方向動作型デュアルコムファイバレーザーの構成

エルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）とシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を組み合わせたリング型レーザー共振器を用い、半導体レーザー（ＬＤ）光をＥＤＦの両側から合波器（ＷＤＭ）を介して入射し、時計回り（ＣＷ）と反時計回り（ＣＣＷ）の超短パルスレーザーを発生させている。ＣＷ出力とＣＣＷ出力は、それぞれの分岐カプラ（Ｃｏｕｐｌｅｒ）から取り出される。ＥＤＦは、出力が２分岐された波長９７６ｎｍの半導体レーザー（ＬＤ）により、双方向から励起されている。また、レーザー出力を取り出すための分岐カプラは、ＥＤＦに対して対称的な位置に配置されている。１／２波長板（Ｈ）、１／４波長板（Ｑ）、偏光子（Ｐ）からなる非線形偏波回転^注１１）機構によるモード同期とともに、２つの分岐カプラと２つのサーキュレータ（Ｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ）を用いてパルス光を分離し、２つの可飽和吸収ミラー^注１２）（ＳＡＭ１，ＳＡＭ２）をモード同期機構に用いて双方向動作を可能にしている。

図４　双方向動作型デュアルコムファイバレーザーのｆｒｅｐとΔｆｒｅｐの特性

（ａ）２つの光コム（ＣＷ出力とＣＣＷ出力）のスペクトル。
（ｂ）モード同期動作時の２つの光コムの高周波（ＲＦ）スペクトル。
両方向とも繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐは３６．６ＭＨｚ、２つのｆ_ｒｅｐの差（Δｆ_ｒｅｐ）は約１．５Ｈｚとなり、最小記録を達成した。デュアルコム分光では、Δｆ_ｒｅｐが小さいほど広いスペクトル帯域を同時に測定できる。Δｆ_ｒｅｐが１．５Ｈｚの場合、測定できる光スペクトル帯域は４４７ＴＨｚにまで達する。また、非共通部分の長さを調整することで、Δｆ_ｒｅｐは数Ｈｚから数百ｋＨｚまで変えることができ、実験目的に応じて自由度の高い測定ができる。
（ｃ）および（ｄ）フリーラン状態での両方向出力のｆ_ｒｅｐおよびΔｆ_ｒｅｐの時間変化を示す。ｆ_ｒｅｐは時間経過とともに２０Ｈｚ程度とわずかに変化しているが、Δｆ_ｒｅｐはほとんど変化しておらず、共振器をほぼ共有していることにより高い相対安定性が得られている。
（ｅ）２つの光コムによるマルチヘテロダインビート信号を示す。光コム１本１本がモード分解検出されており、２つの光コムに高いコヒーレンス性と相対安定性があることを意味しており、従来の２台のレーザー光源によるデュアルコムシステムの性能に匹敵している。

図５　超広帯域光コムの発生とｆｃｅｏビート信号の検出

（ａ）超広帯域光コムの光スペクトル（上がＣＷ出力、下がＣＣＷ出力）を示す。波長９００～２２００ｎｍに分布する１オクターブ以上の広帯域光を、両方向出力において同時に発生させることに成功した。

（ｂ）ｆ_ｃｅｏのビート信号（上がＣＷ出力、下がＣＣＷ出力）を示す。線幅は１０ｋＨｚ程度で、Ｓ／Ｎは３０ｄＢ程度の信号が得られており、ｆ_ｃｅｏの直接検出とその周波数測定に成功した。

図６　双方向動作型デュアルコムファイバレーザーのｆｃｅｏとΔｆｃｅｏの特性

（ａ）２つの光コム（赤がＣＷ出力、青がＣＣＷ出力）のｆ_ｃｅｏの時間変化。

（ｂ）２つの光コムのｆ_ｃｅｏの差Δｆ_ｃｅｏの時間変化を示す。各々のｆ_ｃｅｏは環境変動により１０００秒間に１ＭＨｚ程度と大きく変化するが、共通雑音の抑制効果によりΔｆ_ｃｅｏは５．５ＭＨｚを中心に標準偏差３０．５ｋＨｚで安定であることが分かる。

（ｃ）半導体レーザーの駆動電流に対する２つの光コムのｆ_ｃｅｏとΔｆ_ｃｅｏの変化を示す。

＜用語解説＞

注１）コヒーレンス: 波と波が重なり合う時、打ち消し合ったり、強め合ったりする性質がある。この性質を干渉性があるといい、干渉のしやすさをコヒーレンスという。
注２）繰り返し周波数: １秒間あたりのパルス生成回数。
注３）インターフェログラム: 干渉測定において、測定光を２つの光路に分け、一方の光路長を時間的に変化させて再び結合させると、干渉光の強度は時間の関数の波形になる。この波形をインターフェログラムという。
注４）モード同期レーザー: 広い周波数帯域にわたり光波の位相をそろえることによって得られる、非常に短い時間のみ強度を持つ超短パルス光を周期的に発生するレーザー。
注５）ダイナミックレンジ: 識別または再現することが可能な信号の最大値と最小値の比。
注６）フーリエ変換: ある関数を別の周期関数に分解して表わす時に使う手法で、ここでは時間領域のデータを周波数領域のデータに変換するのに利用される。
注７）マルチヘテロダインビート: 周波数がわずかに異なる複数の波を重ね合わせると、その周波数差に等しいうなり（ビート）が観測される。このビートから情報を測定する手法をマルチヘテロダイン法といい、このビートをマルチヘテロダインビートという。
注８）フーリエ分光法: ２光束干渉計を用いて得られた光の干渉信号をフーリエ変換して分光分析を行う方法。
注９）ｆ_ｃｅｏビート信号: ｆ_ｃｅｏを観測するためにスペクトルを広げて基本波と第２高調波を重ねた時に生じるうなりの信号。
注１０）Ｓ／Ｎ: 信号（ｓｉｇｎａｌ）と雑音（ｎｏｉｓｅ）の比で、信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ）の略記。
注１１）非線形偏波回転: 光パルスがファイバ伝搬中に非線形効果による屈折率変化を受け、光パルスに位相変化が生じて偏光状態が変化する現象。
注１２）可飽和吸収ミラー: 可飽和吸収体（光強度が低いと吸収体、光強度が高いと透明体として働く物質）とミラーが一体化した光学部品で、反射した光パルスの幅が狭くなる。