LDの位相ノイズ計測
ここでは、遅延時間の短いセルフヘテロダイン・マッハツェンダ干渉計を用いて、狭線幅LDの位相雑音を測定するセットアップを紹介します。
この方法では、LDの位相を追跡し、LDの位相雑音密度を計算することができます。
これにより、特に非ローレンツ型のラインシェイプを持つ狭線幅LDの周波数安定性の詳細な解析が可能になります。
実験系
LDコントローラー CTL300Eで制御されたLDの出力は、50 / 50のファイバースプリッタを2本使って作られたマッハツェンダ干渉計に供給されます。
一方のアームでは、レーザー波が20 mの長さのファイバーで遅延されます。
もう一方のアームでは、ファイバーを用いた音響光学変調器（AOM）により、レーザー周波数を 40 MHz シフトさせています。
PD100B-DC バランス型光検出器は、干渉計の出力を電気信号に変換し、ALPHA250 アクイジションボードでデジタル化されます。
SPS101-HV 電源1台でシステム全体を駆動しています。
干渉信号からレーザーの位相雑音まで
干渉計の遅延補正
RFの位相雑音をレーザーの位相雑音に変換するためには、干渉計の遅延時間を知る必要があります。
ここでは、FFTアナライザを用いて測定した、40 MHzを中心とする光検出器出力のパワースペクトルを示します。
デジタル信号処理
インターフェロメトリック信号は、ALPHA250 アクイジションボード上で動作する Phase Noise Analyzer 装置によって処理されます。
DDS（Direct Digital Synthesizer）は、40MHzの搬送波を発生させます。これをアナログ信号に変換してAOMを駆動し、デジタル化された光検出器の出力信号を復調します。
CORDIC（COordinate Rotation DIgital Computer）を用いて、復調された信号の位相を抽出します。
その位相をアンラップして蓄積することで、位相のジャンプがない完全なトラッキングを実現しています。
その後、位相はデシメーション、フィルタリングされ、メモリに保存された後、ホストコンピューターに転送され、Pythonスクリプトによって位相雑音パワースペクトル密度が計算されます。
測定値
下図は、Eblana社のEP1550-0-NLW-B26-100FM DFBレーザーを、CTL200-2-B-200 レーザーコントローラーおよび CTL300E-2-400 レーザーコントローラーを用いて180 mAで駆動した時の周波数ノイズを示したものです。
点線は、線幅が10 kHz、100 kHz、1 MHzの理想的なローレンツレーザーの白色周波数ノイズに対応しています。
CTL300E-2-400 レーザーコントローラーで駆動した場合、1 kHzから100 kHzの間で過剰な周波数ノイズが発生しています。
これは、CTL300E-2-400 レーザーコントローラーの電流ノイズ密度が10 kHzで約800 pA/√Hz（CTL200-2-B-200 レーザーコントローラーは220 pA/√Hz）であることから説明できます。
1 MHz になると、周波数ノイズはもはや電流ノイズではなく、レーザー自体によって制限されます。
その後、位相はデシメーション、フィルターリングされ、メモリに保存された後、ホストコンピューターに転送され、Python スクリプトによって位相雑音パワースペクトル密度が計算されます。
下図は、Eblana 社の EP1550-0-NLW-B26-100FM DFB レーザーをCTL101-2-B-200 レーザーコントローラーで180 mA駆動した場合と、Thorlabs社のSFL1550P 外部共振器レーザーをCTL101-1-B-400 レーザーコントローラーで200 mA駆動した場合の周波数ノイズを示したものです。
その後、位相はデシメーション、フィルターリングされ、メモリに保存された後、ホストコンピューターに転送され、Pythonスクリプトによって位相雑音パワースペクトル密度が計算されます。
Python code
以下は、ALPHA250 アクイジションボード上で動作する位相ノイズアナライザで、レーザーの位相ノイズを計算するために使用されるPythonスクリプトです。