タンデム光周波数シフタと周波数シフト帰還型レーザーへの応用
はじめに
光波長1.55mmにおいて弾性表面波のブラッグ回折により周波数シフト光が得られるLiNbO3導波路型音響光学変調素子（AO Modulator：AOM）を，同一基板上で２段に縦続接続させたタンデム導波路型AOMを開発しました．１段目と２段目のSAW励振周波数の差周波に相当する極低周波，および和周波に相当する高周波の周波数シフト光を得ることができます．このような周波数シフト光は通常の１台のAOMでは生成困難です．
以下に，この「タンデムAOM」の構成と特性，および周波数シフト帰還型レーザーへの応用について示します．
なお本研究は，東北大学大学院工学研究科 伊藤弘昌教授，原 武文准教授との共同研究により遂行しています．株式会社光電製作所様より，本研究に対するご援助を頂いております．株式会社オプクエスト様には素子のモジュール化にご尽力頂きました．関係各位に御礼申し上げます．
素子の構成
以下の図にタンデム導波路型AOMの概観を示します．入力２ポート，出力４ポートの２×４AOスイッチの構成であり，1段目と２段目の入力SAWの組み合わせにより出力光を各ポートへ振り分けます．
SAW駆動周波数を125 MHzとし，これまでに良好な特性を示した導波路幅10 mm，光回折部長さL=4
mm，SAWビーム幅Lg=2 mmの導波路形状を同一基板上で２段化し，2×4AOスイッチの導波路形状を設計しました．２段に配列する際の連結部は，テーパで拡大した導波路幅（W =100mm）のまま直線導波路で連結した導波路形状と，入射部と同様のテーパ導波路で，導波路幅10 mm に集光し再びテーパ導波路で拡大する導波路形状をそれぞれ設計しました．それぞれの導波路形状に対してSAW伝搬領域に屈折率グレーティングを設定し，ビーム伝搬解析（BPM）を行った結果，直線導波路で直接接合した方が漏れ光パワーは少なく，良好な特性が得られました．
直線導波路で直接接合したタンデム導波路形状を採用し，128°YカットLiNbO3基板上にプロトン交換（PE）にて導波路を作製しました．端面研磨，ARコーティング後に1段目，２段目のSAW励振用IDT（波長L=32 mm，対数20，交差幅2 mm）を形成しました．
図： タンデムAOMの構成
光回折特性
偏波保持ファイバ通過後のLD光（1.55 mm）を，レンズを介して入力ポートに入射させ，IDTに約125
MHzのバーストRF電圧を印加し，フォトディテクタで回折ポート，非回折ポートの光パワーを測定しました．
１段目IDTのみ，または2段目IDTのみ駆動した場合は，それぞれ92％，83％の最大回折効率が得られました．１段目の入力RFパワーを最大回折となるよう保持しておき，２段目の光回折特性を測定した結果を下図に示します．２段の回折後に63％の回折効率が得られました．
図： タンデムAOMの２段光回折変調特性
光周波数シフトの観測
作製したタンデム導波路型AOMを，レンズを介して入出力偏波保持ファイバに光結合した状態でモジュールに組み込みました．
図： タンデムAOMモジュール
このモジュールを用いて光周波数シフトを観測しました．上述のように１段目と２段目の入力SAW方向の組み合わせにより，SAW周波数による光周波数シフトを，１段目と2段目のSAW励振周波数（f1，f2）の和周波（f1+f2），または差周波（f1-f2）とすることができます．
下図に光周波数シフト量の測定に用いたヘテロダイン検波の実験系を示します．２段のスイッチング後の出力光を，光周波数シフトを受けていない参照光と合波させ，フォトディテクタで受光し，ビート信号をオシロスコープで観測しました．SAW入力方向の組み合わせに従って，和周波（約250 MHz），または差周波の光周波数シフトが観測されました．f1を固定し，2段目のSAW励振周波数f2を変化させたときのf1-f2差周波に対する2段回折光のビート信号強度をその下の図に示します．DCから5MHz程度の光周波数シフト量が得られることがわかります．この帯域はSAW励振用電極の帯域に相当します．
図： 光周波数シフトの測定系
図： １段目と２段目に印加した周波数の差に対するビート信号強度
周波数シフト帰還型レーザーへの応用
モジュールを下図のようにリング型ファイバ共振器内に挿入し，AOMモジュールを駆動させたところ，差周波，和周波，シングル駆動において発振スペクトルが観測されました．さらに，伝搬距離0〜200mmの空間光を片方のアームに挿入したマッハツェンダ干渉計に，FSFファイバレーザ出力光を入力し，OFDR（Optical Frequency Domain Ranging）光距離計測のデモンストレーションを行いました．
図： タンデムAOMを用いたFSFファイバレーザとOFDRの実験系
RFスペクトラムアナライザを用いて観測した和周波244MHzのときのビート信号の変化の様子を下図に示します．光路差に従ってビート信号のシフトが観測されました．2.5，5.5，10，12.5MHz付近の固定ビートはキャビティ内の不要反射によるものと考えられます．
図： 空間光による光路差に対するビート信号の変化
下図に光路差に対するビート周波数変化を示します．ビート周波数は光路差に比例しており， 1段目と2段目のSAWを組み合わせることによって3種類の傾きが得られました．また，これらの傾きは周波数シフト量に比例することがわかりました．低い周波数シフト光では，ビート次数の判定なしに距離計測が可能であるため，例えば3次元形状計測に有効です．なお，差周波600kHz以下の周波数シフト光においては，パルス発振によってビート信号が観測されませんでした．
図： 光路差に対するビート周波数の変化
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