特集報道：Pound–Drever–Hall前方フィード技術：フィードバックを超えるレーザー位相ノイズ抑制

著者: Yu-Xin Chao, Zhen-Xing Hua, Xin-Hui Liang, Zong-Pei Yue, Li You, Meng Khoon Tey
機関: 低次元量子物理国家重点実験室、物理学部、清華大学、北京、中国
ジャーナル: Optica
公開日: 2024年7月9日
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一、研究背景

過去数十年間、超安定光学参考キャビティにロックされた狭線幅レーザーの出現は、重力波検出、光学時計、超低ノイズ光子マイクロ波生成、高忠実度の原子量子ビット制御、超冷分子のコヒーレント合成、暗黒物質及び基本定数の変化の探査など、革新的な技術の先駆けとなりました。これらの応用の核心には、Pound–Drever–Hall（PDH）技術と呼ばれる周波数識別とロック方法があります。この技術は、レーザーと共振キャビティの周波数偏差を高速フィードバックに適した電気信号に変換します。高品質の超安定光学キャビティと組み合わせることで、PDHフィードバック技術は超狭線幅のレーザーシステムを実現するために一般的に使用されています。

しかし、いかなるフィードバック機構も固有の時間遅延を導入し、この遅延はフィードバック帯域幅を制限します。フィードバック帯域幅を超える周波数のノイズは抑制されることができず、「サーボピーク」現象として増幅される可能性があります。光学時計の応用において、この問題を解決する方法として光キャビティを用いたスペクトルフィルタリングが一般的ですが、この方法には出力制限などの問題があります。一方、光子マイクロ波生成や量子計算の高忠実度量子ゲートといった応用には、さらに敏感な対応が必要です。

これらの問題を解決するため、本研究チームは新しい前方フィード方法を提案しました。これは、レーザーキャビティロック時の残留PDH信号を再利用し、これをレーザー出力場に前方フィードすることで、高周波位相ノイズの抑制を実現します。このシンプルかつ直接的な方法により、本研究は数MHz帯域幅でのノイズ抑制性能を示し、従来のPDHフィードバック方式を4桁上回る結果を得ました。

二、論文の出典

本論文は、清華大学低次元量子物理国家重点実験室のYu-Xin Chao、Zhen-Xing Hua、Xin-Hui Liang、Zong-Pei Yue、Li YouおよびMeng Khoon Teyらによって共同執筆され、2024年7月9日にOpticaジャーナルに発表されました。なお、論文の研究と執筆の過程で、第一著者のYu-Xin ChaoとZhen-Xing Huaはいずれも同等の貢献をしました。

三、実験方法

1. 実験プロセス

PDH技術において、従来のフィードバック設定には以下が含まれます: - ローカルオシレーター（Local Oscillator, LO）と電気光学変調器（Electro-Optic Modulator, EOM1）を使用して位相変調を行い、周波数サイドバンドを生成。 - 光キャビティを利用して、共振周波数から離れたサイドバンドと共振に近いキャリアを異なる反射処理。 - 雪崩フォトダイオード（Avalanche Photodiode, APD）を使用して、反射サイドバンドとキャリア間のビート信号を検出。 - ミキサーと低域通過フィルター（Low-Pass Filter, LP）を介して、レーザーと共振キャビティの周波数偏差を周波数ロックに適した分散「誤差信号」に変換。

従来のフィードバック制御では、この誤差信号はループフィルター（PIDフィルター）を経由してレーザーに適用され、周波数ロックを実現します。一方、前方フィード制御方法では、本研究では残留PDH誤差信号を再度レーザーに前方フィードしました。

2. 実験設計と実施

本実験では、研究チームは1013 nm帯域の外部キャビティーダイオードレーザー（External Cavity Diode Laser, ECDL）、全幅半最大値線幅が14.5 kHzの超低膨張キャビティー（ULEキャビティ）、20メートル長の遅延光ファイバーおよび2つの自作ループフィルター（PIDとPフィルター）を使用しました。さらに、研究チームはEOM2を介して出力されるレーザーとキャビティーによりフィルタリングされたレーザーのビート信号のパワースペクトルを比較しました。その結果、特定の周波数範囲内（数百kHzから数MHzの範囲）で、前方フィード信号を使用して抑制された位相ノイズが顕著に低下しました。

四、研究結果

1. 高周波帯域の位相ノイズ抑制

一連の実験を通じ、研究チームはPDH前方フィード法の顕著な位相ノイズ抑制能力を示しました。500 kHz以上の周波数帯域内では、前方フィード処理後の位相ノイズレベルが検出ノイズを大幅に下回り、前方フィード方法が高周波帯域の位相ノイズ抑制において卓越した性能を示していることがわかりました。

2. ノイズ減衰性能

前方フィード方法の有効性を検証するため、研究チームは弱い正弦位相変調信号を導入し、異なる変調周波数（fin）で実験を行いました。結果、10 kHzから4 MHzの周波数範囲においてノイズ抑制が30 dBを超え、最大で43 dBに達しました。高周波帯域では若干の減衰が見られたものの、この性能は以前の前方フィード技術を大幅に上回ります。

五、動作原理

前方フィード方法の理論的基盤は、残留PDH誤差信号の異なる周波数がレーザーの位相ノイズの全スペクトル情報を含むことに基づいています。これを恒定ゲインのループフィルターを使用して前方フィードし、レーザー位相ノイズの補償を実現します。実験では前方フィードゲインを固定し、前方フィード信号とレーザーの干渉を相消させ、高周波位相ノイズの抑制を達成しました。

六、性能制限と改善方向

研究チームは、遅延光ファイバーの長さ、ループゲイン、システム安定性が前方フィード性能に影響を与えることを指摘しています。より良い抑制効果を得るためには、光キャビティーの伝送パワーを安定させ、より高速な前方フィード回路を使用して遅延を減少させ、長すぎる光ファイバーの使用を避けることが推奨されます。さらに、研究チームは高周波帯域のノイズ抑制能力を向上させるために、実験設定のさらなる最適化を提案しています。

七、結論

研究チームは、PDH信号を使用した前方フィードにより、より高周波帯域でのレーザー位相ノイズの効果的な抑制が実現できることを実験で証明しました。フィードバックと前方フィード制御を統合することで、PDH方法は直流から数十MHz帯域にわたるレーザー位相ノイズの並外れた抑制を実現しました。以前の前方フィード方式と比較して、PDH前方フィード方法は位相ノイズ検出に追加の同相または逆相検出を必要とせず、光路変化や強度ノイズに対しても高いロバスト性を持ちます。また、PDH前方フィード方式はキャビティー伝送パワーに制限されないため、狭線幅光キャビティーを使用して低周波ノイズの最適抑制が可能です。研究チームによれば、この新しい方法は、高出力で数十MHz範囲内の低位相ノイズを必要とする高安定レーザー応用において巨大な可能性を持っています。