清華大学物理学部、レーザー高周波位相雑音除去技術で重要な進歩を遂げる

1960 年に最初のレーザーが誕生して以来、レーザー技術は、レーザー通信、レーザー分光法、レーザー粒子ガスペダル、レーザー干渉法など、物理学のさまざまな分野で広く使用されています。原子および分子物理学と光物理学の実験的研究では、レーザーの性能が原子や分子などの微小粒子を操作する能力を決定します。近年、量子科学技術の発展に伴い、レーザーに対する科学実験の要件はさらに向上しています。たとえば、原子の量子状態を正確に操作し、高精度の量子論理ゲートを実現するには、安定した絶対周波数と極めて低い位相ノイズを備えたレーザーが必要です。レーザーの周波数ドリフトを排除するために、ロバート・パウンド、ロナルド・ドレーバー、ジョン・ホール (略して PDH) の 3 人の物理学者が、変調復調技術に基づいてレーザー周波数をファブリ・ペロー光キャビティにロックする方法を開発しました。この方法は、低周波 (<100 kHz) phase noise in lasers. However, since it is a technique based on feedback control, it is inevitably limited by the feedback bandwidth, and thus cannot effectively suppress the high-frequency phase noise of the laser. On the other hand, the existing laser high-frequency phase noise elimination method means are more complicated, and there is still much room for improvement in stability and noise suppression.

図 1 実験装置の概略図と効果図。(a) 一般的な PDH フィードバック周波数安定化装置 (白い背景部分) と PDH フィードフォワード位相雑音キャンセル装置 (青色の網掛け部分)。(b) 超安定化キャビティからの出力光と透過光との外部差のスペクトル。赤色のスペクトルは PDH フィードフォワードを使用しない場合の外れ値スペクトル、青色は PDH フィードフォワードを使用する場合の外れ値スペクトルです。
最近、レーザー位相ノイズキャンセルの新しい技術が、清華大学物理学部の Mung-Kun Cheng-Yuli グループによって開発されました。この技術は、MHz 範囲の高周波位相ノイズを最大 4 桁抑制します。これは、これまでのすべてのフィードバック/フィードフォワードベースの位相ノイズキャンセル方法よりも 1 ～ 2 桁優れています。この方法は、従来の PDH 周波数安定化技術を巧みに拡張したものです。PDH フィードバックを使用してレーザー周波数を超安定化キャビティにロックすると、残りのエラー信号が高周波領域でのリアルタイムのレーザー位相シフトに比例することが分かりました。 その結果、研究者らは、レーザー光場を遅延させるために 10 メートルの光ファイバーを元の PDH 技術セットアップに追加し、PDH エラー信号生成プロセスによって導入された時間遅延を補正し、次にこの PDH 信号を電気光学結晶に適用して光場の位相を変調し、レーザー位相ノイズを除去するという新しいフィードフォワード方式を提案しました (図 1)。

図2 PDHフィードフォワード方式の位相雑音キャンセル係数の雑音周波数による変化曲線。図中の赤い点は実験測定データを示し、緑の実線は光キャビティフィルタリング方式による位相雑音キャンセル係数の理論値を示しています。
研究チームは、さまざまな周波数での位相ノイズに対するPDHフィードフォワード法の抑制効果を測定し、理論的な説明により、この方法が20MHzまでのレーザー位相ノイズを効率的に抑制できることを発見しました（図2）。より低い周波数では、フィードフォワード法は光キャビティフィルタリング法と同等ですが、後者ほど厳しく送信レーザーパワーを制限しないことがわかりました。より高い周波数では、電子機器の分散効果を狭めることにより、この方法の有効性をさらに高めることができます。この研究でエラー信号を増幅してフィードフォワード信号を生成するために使用される回路は、チームメンバーによって開発および設計されたものであり、これは研究がさらに普及して応用されるための強固な基盤を築いたことは注目に値します。
査読者はこの研究を高く評価し、「PDH 技術は、時間周波数計測、分光法、原子物理学など、多くの分野で広く使用されています。MHz 周波数範囲でのレーザー位相ノイズの抑制に関する研究は大きな注目を集めており、多くのアプリケーションで重要です。この論文で紹介されているシンプルな技術と組み合わせることで、この研究は幅広い影響を与え、フィードフォワード方式の広範な使用を促進する可能性があると考えています。」と述べています。この研究は、2024 年 7 月 9 日に光学ジャーナル Optica に「Pound-Drever-Hall フィードフォワード: フィードバックを超えたレーザー位相ノイズ抑制」というタイトルで掲載されました。