40 GHz モード同期半導体レーザを用いたミリ波帯周波数計測
杉山 卓也† 諸橋 功††a)（正員） 小川 洋†† 片山 郁文†
関根 徳彦††（正員） 笠松 章史††（正員） 寶迫 巌††（正員）
Frequency Measurement of Millimeter Waves Using 40 GHz Mode-Locked Semiconductor Laser Takuya SUGIYAMA†,Nonmember, Isao MOROHASHI††a),Member, You OGAWA††,
Ikufumi KATAYAMA†,Nonmembers, Norihiko SEKINE††, Akifumi KASAMATSU††, and Iwao HOSAKO††,Members
あらまし モード同期半導体レーザを用いた電気光学サンプリング法により，W 帯ミリ波信号の高精度周波数 測定を実証した．ミリ波信号と光コムのビート信号の周波数測定により，モード同期レーザの駆動信号と同等の 精度でミリ波信号の周波数を決定できることを示した． キーワード テラヘルツ波，光コム，モード同期半導体レーザ，電気光学サンプリング法
1.
ま え が き
ミリ波・テラヘルツ(THz)波は非破壊検査やセキュ リティ，分光分析など，様々な分野への応用が進んで いる．高速無線通信や低圧下でのガススペクトル計測 などの応用では，高い精度の周波数計測技術が必要で ある．周波数測定法としては，周波数ミキサが一般的 に用いられ，局部発振信号の精度に依存する高い周波 数精度の計測が可能であるが，ミキサ素子の帯域制限 により，測定する周波数帯ごとに対応するミキサ素子 が必要である．近年，光コムを用いる手法が提案され ており，数THzに及ぶ広帯域の測定手法として期待 されている[1]．本手法の周波数精度は光コムの安定度 に依存するため，光コムの安定化技術により，高い周 波数精度が得られる． 本研究は，光コムを用いた電気光学(EO)サンプリン グ検出による広帯域電場検出法の開発を目的としてお り，これまでに変調器型光コム発生器を用いたTHz帯 周波数計測を実証してきた[2], [3]．半導体モード同期 レーザ(MLLD)は，小型な光コム光源として有望であ り，更に光集積技術を用いることで，小型かつ高機能な THz波検出デバイスを実現できる可能性がある．モー ド同期レーザを用いたTHz計測では，一般的にパッ †横浜国立大学，横浜市Yokohama National University, 79–5 Tokiwadai, Hodogayaku, Yokohama-shi, 240–8501 Japan
††情報通信研究機構，小金井市
National Institute of Information and Communications Technology, 4–2–1 Nukui-Kitamachi, Koganei-shi, 184–8795 Japan a) E-mail: [email protected] シブモード同期が用いられている[1]．パッシブモード 同期は，位相同期法により高い周波数安定度が得られ ることが知られているが，長期安定性を得るためには， 高い制御技術が要求される．一方，アクティブモード 同期における周波数安定度は，モード同期の変調信号 に依存するため，簡便に高い周波数安定度が得られる． そこで本論文では，アクティブMLLDを用いたミリ 波帯周波数計測とその周波数精度について報告する．
2.
実験及び結果
図1にTHz周波数測定の構成を示す．実験に用いた MLLDは，分布グラッグ反射(DBR)半導体レーザで 共振器内に電界吸収(EA)変調器が集積された構造を もつ．EA変調器を正弦波信号で駆動することで，能 動モード同期により1550 nm帯でパルス発振する[4]． 発生される光コムの周波数間隔はEA変調器の駆動信 号の周波数に一致する．図2にMLLDから発生され た光コムのスペクトルを示す．EA変調器を40 GHz の正弦波信号で駆動することで，40 GHz間隔の光コ 図 1 THz周波数測定の実験配置図Fig. 1 The experimental setup for the THz measurement.
レ タ ー
図 2 MLLDから出力された光コムのスペクトル Fig. 2 A spectrum of an optical comb generated by the
MLLD.
図 3 (a) 80 GHz信号のスペクトル及び (b) アラン分散特性 Fig. 3 (a) A spectrum of an 80 GHz signal and (b) Allan
deviation. ムを発生させた．3 dB帯域幅は240 GHzであり，周 波数可変幅は2 GHz程度である[4]． ミリ波信号源には，周波数逓倍器(Quantum Mi-crowave製QMC-MX6-10F10，周波数75-110 GHz， 出力16 mW)を使用した．放射されたミリ波信号を一 対の軸外し放物面鏡で集光し，光コムと同軸にEO結 晶に入射した．EO結晶には1 mm厚の(110)面ZnTe 結晶を用い，ミリ波信号の偏光を[001]方向に一致さ せた．EO結晶を通過した光コムは，1/4波長板によ り偏光のバイアスを与えられ，バランス検出器の差動 出力が0となるように偏光を調整した．バランス検出 器より出力されたビート信号の周波数δf をスペクト ラムアナライザで観測することで，ミリ波信号の周波 数fTHzを次式で決定できる． fTHz=mfrep± δf ここで，mはモード数，frepは光コムの周波数間隔で ある[3]． 図3 (a)に80 GHzミリ波信号を観測したときの ビート信号のスペクトルを示す．ミリ波信号の周波 数を80.02 GHz (δf = 20 MHz)に設定したところ， 20 MHzにビート信号が観測された．ビート信号の信 号対雑音比は分解能帯域幅(RBW)が100 Hzのとき に35 dB程度であり，線幅はスペクトラムアナライザ の分解能以下(< 1 Hz)であった．図3 (b)にアラン分 散特性を示す．ビート信号の周波数安定度は，MLLD の変調信号の特性とほぼ同等であった．これにより， 本方式はモード同期の変調信号で決まる精度で被測定 信号の周波数を決定できることが示された．
3.
む す び
40 GHz MLLDから発生された光コムをプローブ光 としたEOサンプリング法により，ミリ波信号の高精 度周波数計測を実証した．光周波数コムとミリ波信号 をEO結晶上でミキシングすることでミリ波信号の検 出に成功し，本手法で得られる周波数精度がMLLD を駆動する変調信号の精度で決まることが示された． 謝辞 本研究の一部は，JSPS科研費JP17K05092 の助成を受けて実施された． 文 献[1] S. Yokoyama, R. Nakamura, M. Nose, T. Araki, and T. Yasui, “Terahertz spectrum analyzer based on a terahertz frequency comb,” Opt. Express, vol.16, no.17, pp.13052–13061, 2008.
[2] 桐ヶ谷茉夕，諸橋 功，金子優太，片山郁文，入交芳久， 坂本高秀，関根徳彦，笠松章史，寳迫 巌，“MZM ベー ス超平坦光コム発生器を用いた 600GHz 帯高精度周波数 計測，”信学論（C），vol.J99-C, no.8, pp.411–412, Aug. 2016.
[3] I. Morohashi, I. Katayama, M. Kirigaya, N. Sekine, Y. Irimajiri, and I. Hosako, “High precision fre-quency measurement of terahertz waves using optical combs from a Mach–Zehnder-modulator-based flat comb generator,” Opt. Lett., vol.44, no.3, pp.487– 489, Feb. 2019.
[4] S. Arahira and Y. Ogawa, “40GHz actively mode-locked distributed bragg reflector laser diode module with an impedance-matching circuit for efficient RF signal injection,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.43, no.4B, pp.1960–1964, 2004.
（2019 年 6 月 15 日受付，9 月 13 日公開）
