光コムのオフセット周波数を用いた偏光状態の精密計測

Research Project

Project/Area Number	21K18914
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	大久保章国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (30635800)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	岩國加奈電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 助教 (80837047)
Project Period (FY)	2021-07-09 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords	モード同期レーザー / ファイバーレーザー / デュアルコムレーザー / 光周波数コム / 偏光計測 / オフセット周波数
Outline of Research at the Start	物理研究において測定される物理量のうち、最も高精度に測定可能な量は周波数であり、言い換えると、周波数で測定すれば評価したい物理量を高精度に測定できるということである。本研究では、偏光状態を周波数計測に落とし込むという新しい発想に基づく高精度な偏光計測手法を提案・検証する。具体的には、偏波保持ファイバーで構成される光コムの横偏光状態と縦偏光状態の両方で同時にモード同期し、各偏光状態のキャリアエンベロープオフセット周波数をそれぞれ計測する。オフセット周波数に偏光状態が反映されることを利用して、高精度・高感度に偏光状態を測定する。
Outline of Annual Research Achievements	キャリアエンベロープオフセット周波数差を用いた偏光状態の計測を検証するために、偏波多重・ゲイン媒質共有タイプの偏波保持型デュアルコムレーザーを開発した。偏波間の残留クロストークの影響を調べるため、モード同期の再現性、レーザーの相対強度雑音、繰り返し周波数の位相雑音を測定した。その結果、モード同期の再現性は高く、繰り返し周波数の位相雑音は、シングルコム動作時と同等で十分に小さいことが確認された。一方で、強度雑音パワースペクトル密度には、2つのモード同期の繰り返し周波数の差周波数（100 kHz前後）とその高調波に相当する周波数に鋭いノイズピーク（-90 dB/Hzから-100 dB/Hz程度）が観測された。このような偏波多重・ゲイン媒質共有型の特性をまとめ、論文として投稿した。偏波多重・ゲイン媒質共有型は強度雑音が大きいため、機械共有型の偏波保持型デュアルコムレーザーに切り替えて製作を進めている。2つの光コムの特性が可能な限り揃うような工夫を盛り込み、オフセット周波数検出とオフセット周波数差を用いた偏光計測を進める。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 前年度までに開発した偏波多重・ゲイン媒質共有タイプの非線形増幅ループミラー（NALM）型デュアルコムレーザーについて、偏波間クロストークの影響を詳しく調べた。モード同期は再現性良く実現でき、繰り返し周波数信号の位相雑音はシングルコム発振の場合と同等で十分に小さかった。一方、レーザーの強度雑音の周波数特性を測定したところ、2つのモード同期の繰り返し周波数の差（100 kHz前後）とその高調波に相当する周波数に鋭いノイズピークが観測された。この強度雑音は、光エッジフィルタを用いて2つのモード同期の発振波長が重ならないようにした場合にも減少しなかった。これら開発したデュアルコムレーザーの性質について、論文にまとめ投稿した。偏波多重・ゲイン媒質共有タイプのNALM型デュアルコムレーザーの偏波間クロストークの影響が取り除けないため、機械共有型デュアルコムレーザーの製作を開始した。現在までに1つ目の光コムのモード同期を実現している。
Strategy for Future Research Activity	機械共有型デュアルコムレーザーの開発を進める。可能な限り2つの光コムの特性が揃うように、レーザー共振器は同一の構成とし、励起レーザーの共有、温度環境の共有、オプトメカニクスの共有を盛り込む。fCEO信号を検出した後、2つの光コムのfCEOの相対安定度を評価した上で、fCEOの差を用いた偏光計測の実証実験を行う。