2017 Fiscal Year Annual Research Report

宇宙重力波検出器のための高出力・広帯域周波数安定化光源の開発

Research Project

Project/Area Number	16J09106
Research Institution	The University of Electro-Communications
Principal Investigator	末正有電気通信大学, 情報理工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2016-04-22 – 2019-03-31
Keywords	周波数安定度 / 強度安定度
Outline of Annual Research Achievements	日本における宇宙型重力波検出器DECIGOのための、周波数と強度が安定化された光源の開発を行った。まず、光源の周波数安定化を行うために、ヨウ素の飽和吸収線に周波数を安定化するBread board model(BBM)を2台作製した。去年度はBBMにヨウ素の飽和吸収線の強度雑音成分を抑圧するオートバランス機構付きの差動受光Photo Detectorを導入し、飽和吸収線の強度雑音成分を抑圧して信号のSNRを向上させる事で、さらなる周波数安定度の向上を図った。まず個々のBBMで誤差信号による周波数雑音の評価を行ったのちに、2台のBBMのビート信号の位相雑音スペクトルにより周波数安定度の絶対評価を行った。その結果、まずは差動受光なしで1Hzでdf=50Hz/√Hzの値を得た。差動受光を導入すると、さらに周波数安定度に5dB程の雑音抑圧が見られた。次に、周波数安定度のアラン分散測定による評価を行った。こちらは前年度にも報告した2台のBBMのビート信号の時間変化を測定し、短期的評価と長期的評価を行うものである。短期的評価は前述した光学系の再設計と差動受光により前年より2桁安定度が向上し、相対周波数安定度df/f=10＾（-13）台（積分時間1秒における値）を得た。また、長期的安定度は変調器であるEOM（電気光学変調器）の受動的な温度制御を行うことで残留強度変調(RAM)を抑え、安定度が2桁向上し、df/f=10＾（-14）台（積分時間1000秒における値）を得た。また、ヨウ素の飽和吸収線を得るための変調帯域である200kHzにおける強度安定化にも取り組んだ。変調帯域における強度安定化は信号のSNRを向上させ、短期安定度の向上が見込まれるからである。強度安定化にはアクチュエーターとしてAOM(音響光学変調素子)を用い、200kHzで雑音抑圧利得10dBを得た。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 目的としていた周波数安定化と強度安定化両方において、安定化のための新しいシステムの導入を行い、予想通りの結果が取得出来たからである。光源の周波数安定度においては、研究実績の概要で述べた通り、新たに差動受光法とRAMの抑圧を導入する事により、短期的安定度と長期的安定度ともに、前年度と比べて2桁以上の改善が見られた。また、強度安定化については非常に困難である200kHz帯での全く新しい雑音抑圧システムを構築し、雑音を10dB以上抑圧することが出来た。目標値までの到達には至らなかったが、以上の改善が見られたためおおむね順調に進展していると見なした。
Strategy for Future Research Activity	光源の周波数安定度は、短期ではあと2桁、長期ではあと1桁程の改善が必要である。光源の短期安定度においては制御帯域の拡大と信号のSNRの向上が安定度改善に繋がるので、光源を従来のfiber DFB laserから制御帯域を拡大出来るECLD(外部共振器型半導体レーザー)に変更する。またこの光源は変調帯域200kHzにおける強度雑音がfiber DFB laserよりも1桁程少ないため、これに加えて更に強度安定化を行うことで信号のSNRを向上させ、短期安定度の改善を図る。更にこれに加え、従来周波数安定化に用いていた変調移乗法に加え、直接変調法をこれに組み合わせる事でさらに短期安定度を向上させる。長期安定度に関しては、現状は残留強度変調によって安定度が制限されているため、変調器の温度制御に加えて、変調器の結晶に電圧を加える能動的な制御を組み合わせる予定である。これで安定度を1桁向上させる。さらにこれらの安定度を保ったまま、カスケードアンプとコヒーレント加算による高出力化を行う予定である。