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バーニア効果を用いた外部共振器型半導体レーザー
東大物性研、CREST(JST)、ルーセント・ベル研A
木下基、Manyalibo J. MatthewsA、秋山英文
発表内容
1.背景・目的
2.原理
3.広帯域周波数可変外部共振器型半導体レーザーの提唱
4.Transfer Matrix法を用いた光学シミュレーション
5.まとめ・今後の展望
背景：光通信システム
波長多重伝送(WDM)システム
波長可変
光源
任意の波長を追加
半導体レーザー
100 GHz
光アド・ドロップ(OADM)

半導体レーザー
波長可変
光源
半導体レーザー

…
バックアップ用

合
波
器
ADD
DROP
～
～
半導体レーザー
n
固定波長光源
波長可変
光源
波長別
ルーティング
任意の波長に変換
光クロスコネクト(OXC)
100 GHz間隔のグリッドに対応した任意の周波数で発振する
光通信用広帯域波長可変レーザーが必要。
目的：光通信用の広帯域波長可変レーザーの開発
100 GHz間隔のステップ型周波数可変レーザー
100 GHz
Laser
周波数
今回
外部共振器型半導体レーザー
バーニア効果
を用いたレーザーの提唱
Transfer Matrix法による発振スペクトルのシミュレーション
原理：バーニア効果
1発振状態
2発振状態
個別のモード
一方の波長グレーティングが変化
複合モード
片方の共振条件
を調整
発振状態
共振条件が一致した
波長で発振する
1
1  2
複合共振器の干渉状態を制御することで広帯域波長制御が可能
広帯域波長可変外部共振器型半導体レーザー
位相調整領域付
半導体レーザーチップ
Gain
エタロン
コリメート
レンズ
Phase
AR膜
HR膜
外部反射鏡
0.6
×
0.4
0.2
特
徴
0.6
0.6
T1(  )
f (  )( T1(  ) )
193.5
193.55
193.6
frequency

193.65
193.7
0
193.4
193.4
2
0.4
0.4
0
193.45
1
0.8
0.2
0.2
4
193.4
1
0.8
f( )
0
193.4
1
transmittance
transmittance
1
transmittance
1
0.8
8.15910
ビート
エタロン
共振器の縦モード
1
0
193.45
frequency
193.5
193.55

193.6
193.65
193.7
0
193.4
193.4
193.45
frequency
193.5
193.55
193.6
193.65

エタロンと外部共振器の縦モードによるバーニア効果を利用
位相調整領域の屈折率変化によって発振周波数を制御
193.7
Transfer Matrix法
ある光学的要素による入・出力光の関係を行列で表現
Er+ ＝ tEf+‐rEr-
Ef+
L
t
r
Er+ ＝ tEf+exp(-ikL)
Ef+
Er-
Ef- = rEf+ + tE-
Er-
M
r
 1
 Er    t  t  E f  


   
 Er     r 1  E f  
t 
 t
Ef- = Er-exp(-ikL)
P
0  E f  
 Er    exp(ikL)

   

0
exp(ikL)  E f  
 Er   
P
M
反射型
伝搬型
光学要素から成る構造（レーザーなど）を行列の積で表現
出力を計算
計算モデル
レーザーの構造を行列の積で表現し、自然発光から出力を算出する
M
E
発光
rH
G
P
P1
P2
出力
Er+
Er−
Ef+
Ef−
帰還光
外部ノイズ
 R11 R12 

R  M  P2  E  P1  P  G  
 R21 R22 
H
Transfer Matrix方程式
E 
 Er  
   R f  
 Er  
 Ef  

R12R21 
1
 
Ef 
出力 Er    R11 
R
R22  1  r 21

H
R22
利得関数
利得飽和の効果と発散抑制の項を導入
 g t h (a  1)
利得 g  a  g t h  
a  g t h (a  1)
1  1  

ln
閾値 g t h 
2 
2Lg  rM rH 
Lg：利得領域長
（超過分は発光に換算）
FWHM
←ピークの発散を抑制
 
FSR
rM rH ：両端面の反射率

←利得飽和
：エタロンの透過率
FWHM：レーザー線幅（典型的な値）
FSR：モード間隔
Intensity – Gain 曲線
Intensity (a.u.)
レーザー特有の出力‐利得
曲線が得られた。
以後、 a  1
を使用する。
0
1
a
2
3
 g  gth
パラメーター
出力の計算結果
（左右で外部共振器のFSRが異なる）
1 THz
1 THz
SMSR
Intensity (a.u.)
Intensity (a.u.)
可変域
frequency (a.u.)
エタロンと
外部共振器のFSR差
SMSR
(Side Mode Suppression Ratio)
可変チャンネル数
大
frequency (a.u.)
小
高い（良）
低い（悪）
少ない（悪）
多い（良）
SMSRと可変チャンネル数の兼ね合いを考える
最適化
SMSRと可変チャンネル数の兼ね合い
可変チャンネル数
50
40
30
20
10
15
20
25
30
35
SMSR (dB)
（FSR=100 GHz, finesse=5）のエタロンを使用
SMSR > 35 dBとなるところを選択
外部共振器のFSR=19.74 GHz
可変ch数=16ch, SMSR=35.6 dB
40
計算結果
SMSR (dB)
発振周波数 (THz)
広帯域周波数変調の様子
位相調整領域の屈折率
位相調整領域の屈折率を変化させることで、
100 GHz × 16ch の広帯域周波数変調が可能である。
(=12.8 nm)
改良案シングルモードにするために、
任意の領域のみで発振させる
狭周波数帯域反射ミラーを使用すると・・・
反射率
Intensity (a.u.)
1 THz
frequency (a.u.)
Intensity (a.u.)
周波数
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
１つのモードのみで、
発振させることが出来る。
192
193
194
195
Frequency (THz)
196
197x10
197
12
しかし、モードによって強度尖頭値や
SMSRにバラつきが生じる可能性がある。
寛容性－屈折率＆エタロン入射角
エタロンの角度による
発振周波数・SMSRのゆらぎ
発振周波数
発振周波数
位相調整領域の屈折率による
発振周波数・SMSRのゆらぎ
0.3 GHz
0.24 GHz
35 dB
5×10-5
0.005°
SMSR > 35 dB の寛容範囲
位相調整領域の変化量 < 5×10-5
（0.3 GHzの周波数シフト）
エタロンの角度の変化量 < 0.005°
（0.24 GHzの周波数シフト）
まとめ
バーニア効果に基づく広帯域周波数可変外部共振器型半導体
レーザーを提唱した。
Transfer Matrix法によって、発振スペクトルを計算した。
・パラメーターの最適化を行った。
・屈折率変化に対する広帯域周波数変調の様子の推定を行った。
(SMSR > 35 dB で、100 GHz × 16 ch)
・屈折率、エタロンへの入射角の寛容性を推定した。
(Dnp < 5×10-5, Dq < 0.005° for SMSR > 35 dB)
今後の展望
位相調整領域付半導体レーザーチップの作成
外部共振器の作成
周波数制御実験

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