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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
もと
秋山研Ｍ２
木下基
発表内容
1. 目的
2. 原理
3. エタロンフィルタによる機械的な発振周波数制御実験
4. 電気的な発振周波数制御の原理と予備実験
5. 今後の展望
目的
1.5mm 帯半導体レーザーの高速広帯域での発振周波数制御
100 GHz間隔で可変の発振周波数チャンネル
(= 0.4 meV)
発振スペクトルのイメージ
100 GHz
100 GHz
Intensity (a.u.)
100 GHz
・・・
0
detuning (GHz)
100
detuning (GHz)
200
detuning (GHz)
300
detuning (GHz)
バーニア効果
1
個々の共振器の透過率
複合共振器を作成し、
そのビートを制御する
透過率
1
T 1(  )
T 2(  )
0
0
193
２つの共振器のビート透過率
1
周波数

194
透過率
1
T(  )
0
0
1
193
周波数

194
個々の共振器の透過率
1
透過率
片方の
共振器の
FSRを変化
T 1(  )
T 2(  )
0
0
1
193
２つの共振器のビート透過率
周波数

194
透過率
1
T(  )
0
0
193
周波数

194
エタロンフィルタの透過スペクトル
FSR=95 GHz, finesse=5.1
1
FSR=100 GHz, finesse=36
透過率
透過率
0.16
195.8
196
196.2
196.4
周波数(THz)
0
196.6
195.8
196
196.2
196.4
周波数(THz)
196.6
２枚のビート
0.1
透過率
0
0
分解能：6.4 GHz
195.8
196
196.2
196.4
周波数(THz)
196.6
エタロンフィルタによる
機械的な発振周波数制御実験
etalon
angle
6~6.5 deg
0 deg
FSR
95.0GHz
100GHz
Finesse
5.1
36

l/2 plate
optical isolator
mirror
polarizing beam splitter
(PBS)
lens
LD
laser diode
linewidth
50 kHz
spectrum
analyzer
結果
エタロンの角度による発振スペクトルの変化
16 ch
intensity (a.u.)
100GHz
 (deg)
6.1
6.2
6.3
6.4
195
195.5
196
196.5
frequency (THz)
197
6.5
197.5
電気的な制御
今まで
遅い変調
エタロンの角度による
機械的な制御
1.2
1
T43  
0.5
0
 0.1
193.6
193.8
194
194.2
194.4

193.5
194.5
FSR 
1.2
1
1
T4  
T2  
0.5
0.5
0
0
 0.1
193.6
193.8
194
194.2
194.4

193.5
193.6
193.8
194
194.2
194.4

194.5
屈折率
次の目的
速い変調
エタロンの屈折率による
電気的な制御
1.2
1
T43  
0.5
0
 0.1
193.6
193.5
1.2
1
1
T4  
T2  
0.5
0.5
0
0
 0.1
193.6
193.5
193.8
194

c
2nL cos  
194.2
194.4
193.6
194.5
193.8
194

194.2
194.4
193.8
194

194.2
194.4
194.5
電気光学効果を有するエタロン
石英のエタロン板に直接電圧を印加しても屈折率
の変化はほとんど期待できない。
（E.O素子でも同様だと思われる）
1.5 mm帯以外の半導体レーザーチップを利用する。
キャリア濃度を変化させることで10-3程度の屈折率変化、
ピーク位置では数十GHzの変化が期待できる。
ファブリペロー共振器型をしている。
製品としての供給が多いため、手に入れやすい。
V
レーザーチップの顕微鏡写真
300 mm
100 mm
300 mm
100 mm
電流注入によるレーザーチップの縦モードの変化
レーザーチップの透過スペクトル
194.35
194.35
ピーク位置の変化
電流
周波数 (THz)
透過光強度 (a.u.)
194.3
194.3
194.25
194.25
194.2
194.2
194.3
194.25
194.25
194.3
周波数 (THz)
194.35
194.35
194.2
194.2
0
1
電流 (mA)
問題点
0.8
２
枚
の
エ
タ
ロ
ン
の
ビ
ー
ト
T3 
T4 


25 GHz
0.6
0.4
0.2
0
0
0
193.4
193.45
1
frequency
193.5
193.55
193.6

193.4
193.62
1
1
25 GHz
transmittance
T3 
1
1
transmittance
1
0.8
0.6
T4  
0.4
0.2
 4
1.36210
0
0
193.4
193.4
193.45
frequency
193.5
193.55
193.62
1
11
1 GHz
0.8
transmittance
今までは２枚のエタロンの
ビートのみを考えていたが、
共振器の縦モードも考慮する必要が
あるのではないか？
193.6
共振器縦モード

0.6
T3  T4  f  
0.4
0.2
5
7.54310
00
193.503
193.5024
193.504
frequency
193.505
193.506
193.507

193.508
193.509
193.51
193.5104
１枚のエタロンと共振器の縦モードで
発振周波数を制御する
Gain
Phase
AR
HR
0.6
×
0.4
0.2
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
193.7
Transfer Matrix による
発振スペクトルのシミュレーション
Transfer matrix
ある光学的要素による入射、反射、透過光の関係を行列で表現
Er+ ＝ tEf+‐rEr-
Ef+
t
r
Ef+
Er-
Ef- = rEf+ + tEM
 1
 Er    t

  
 Er     r
 t
Er+ ＝ tEf+exp(-ikL)
L
ErEf- = Er-exp(-ikL)
r
  E 
t  f  
1  E f  

t 
P
0  E f  
 Er    exp(ikL)


  

0
exp(ikL)  E f  
 Er   
P
M
反射型
伝搬型
発振スペクトルの計算
M
E
G
発光
rH
P
P1
P2
出力
Er+
Er−
Ef+
Ef−
帰還光
外部ノイズ
R  M  P2  E  P1  P  G
H
Ef  
 Er  


  R

E
E
 r 
 f
Transfer Matrixを用いて出力光を計算
（帰還光を計算
発光+帰還光を入力とする
出力光を求める）
発振スペクトルの計算結果
The calculated lasing spectrum
1 .10
5
5
10
1 .10
4
SMSR > 30 dB
1 .10

Eout (  )
intensity (a.u.)
3
100
10
1
2
0.1
0.01
1 .10
3
1 .10
4
1 .10
5
6
8.66910 1 .10 6
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
14
1.94 .10 1.942 .101.944 .101.946 .101.948 .10 1.95 .10 1.952 .101.954 .101.956 .101.958 .10 1.96 .10
12
12

19410
19610
frequency (Hz)
intensity (a.u.)
発振周波数がシフトする様子
frequency (Hz)
今後の展望
一方のエタロンをレーザーチップに置き換え、そのFSRを
電気的に制御することで、高速での変調を実現させる。
共振器の縦モードとエタロンによるバーニア効果を利用
した外部共振器型半導体レーザーの設計・作成。
40chくらいを目標に変調可能な周波数チャンネル数を
増やす（SMSRの向上）。
Transfer Matrix法の確立

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