[論文レビュー] Comb-assisted coherence transfer between laser fields

Tommaso Sala, S. Kassi+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、12 THz帯域で光周波数コンブを介してマスターレーザーからスレーブレーザーへ位相／周波数安定性をフィードフォワード方式で効率的に転送するためのファイバ型マッチツーハイゼンダー単側帯変調器を用いたコherence転送方式を提案する。フィードバックループを一切用いず、全コンブスパンにわたり1 kHz未満のコherence転送安定性を達成し、広帯域可変の通信波長レーザーを用いた高精度分光法の実現を可能にする。

ABSTRACT

Single mode laser fields oscillate at frequencies well outside the realm of electronics, but their phase/frequency fluctuations fall into the radio frequency domain, where direct manipulation is possible. Electro-optic devices have sufficient bandwidth for controlling and tailoring the dynamics of a laser field down to sub-nanosecond time scales. Thus, a laser field can be arbitrarily reshaped and in particular its phase/frequency fluctuations can be in principle removed. In practice, the time evolution of a reference laser field can be cloned to replace the fluctuations of another laser field, at a close-by frequency. In fact, it is possible to exploit a partially stabilized optical comb to perform the cloning across a large frequency gap. We realize this long-haul phase transfer by using a fibered Mach-Zehnder single-sideband modulator driven by an appropriate mix of the beat notes of the master and the slave laser with the comb.

研究の動機と目的

• フィードバック制御ループに依存せず、広帯域の周波数範囲にわたり2つの連続波レーザー間で堅牢かつ高帯域のコherence転送を実現すること。
• 従来の位相ロックループの限界、すなわち狭帯域の制御帯域、環境的擾乱への感受性、実装の複雑さを克服すること。
• 外部の1つの変調器を用いて、共通の光周波数コンブとのビート周波数を用いてスレーブレーザーの位相揺らぎを補正する、シンプルで完全に光的なフィードフォワード技術の開発。
• 高精細ファイバー共振器強化分光法への適用可能性を実証し、12 THzのスペクトルスパンにわたりコherenceを維持すること。
• 高安定性マスターレーザーのコherenceを引き継ぎつつ、広帯域可変通信波長レーザーを用いた迅速かつ高精度な周波数チューニングを可能にすること。

提案手法

• スレーブレーザー光ビームに位相補正されたサイドバンドを生成するために、ファイバ型マッチツーハイゼンダー電気光変調器（MZM）を単側帯モードで駆動する。
• マスターレーザーと光周波数コンブ（OFC）間、およびスレーブレーザーとOFC間のビート周波数を高速フォトダイオードで検出し、ラジオ周波数（RF）信号にダウンコンvertedする。
• マスターレーザーとOFC間のRFビート周波数を用いて制御信号を生成し、MZMを駆動することで、コンブ由来の共通モード位相揺らぎおよびマスターレーザーとスレーブレーザー間の相対的位相揺らぎを効果的にキャンセルする。
• 2つのビート周波数の混合により制御信号を導出することで、コンブ由来のノイズとレーザー間周波数ドリフトの両方を同時に抑制可能である。
• スレーブレーザーの内部部品を変更しないため、フィードバックベースの安定化で一般的に生じる位相-振幅カップリングの問題を回避できる。
• 隣接するコンブモードからの干渉を避けるために、特定のモード間隔（100 MHz）においては狭帯域バンドパスフィルタを用いて所望のビート周波数を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの外部変調器を用い、フィードバックループを一切使用せずに、12 THz帯域にわたる2つの遠隔レーザー間でコherenceを転送できるか？
• RQ2 従来の位相ロックループ系と比較して、本フィードフォワード方式の動的範囲、帯域幅、環境ノイズへの耐性はどのように異なるか？
• RQ3 高安定性マスターレーザーのコherenceは、通信バンドにおける広帯域可変スレーブレーザーへどの程度正確に転送可能か？
• RQ4 コherence転送方式の残余位相ノイズの下限は何か？また、コンブのスペクトル範囲にわたってそのノイズ特性はどのように変化するか？
• RQ5 本手法は、スペクトル分解能や感度の劣化を伴わずに、高精細ファイバー共振器を用いた高精度分光法に応用可能か？

主な発見

• コherence転送は12 THzの周波数スパンにわたり1 kHz未満の残余位相ノイズフロアを達成し、全コンブ帯域にわたり1 kHz未塔の安定性を実証した。
• 本手法は、光周波数コンブ由来の共通モードノイズとマスターレーザーとスレーブレーザー間の差分ノイズの両方を効果的に抑制し、高精度な位相転送を可能にした。
• コブエッジ（198 THz）およびマスターレーザー周波数（186 THz）でも、転送品質の顕著な劣化は観測されず、コherenceが維持された。
• ループの遅延や不安定性のリスクがないため、従来のフィードバックベースのシステムに比べ、動的範囲および制御帯域が優れている。
• 環境的擾乱に対して強く、レーザー共振器の改造を必要とせず、位相-振幅カップリングの問題を回避できる。
• 100 MHzのコンブモード間隔を用いた場合、制御帯域はフィルタリングに制限されるが、より広いモード間隔のコンブを用いれば、100 MHzを超える制御帯域を達成可能である。