木下基、Manyalibo J. MatthewsA、秋山英文 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

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。 背景：光通信システム 波長多重伝送(WDM)システム 光アド・ドロップ(OADM) 波長可変 光源 任意の波長を追加 ADD 波長可変 光源 ～ ～ DROP バックアップ用 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

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 原理：バーニア効果 l1発振状態 l2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 l1 l1 l2 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 コリメート レンズ エタロン Gain Phase HR膜 AR膜 外部反射鏡 共振器の縦モード エタロン ビート × transmittance transmittance transmittance frequency frequency frequency 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 特徴

光学要素から成る構造（レーザーなど）を行列の積で表現 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+exp(-ikL) M Ef+ Ef- = rEf+ + tE- Er+ ＝ tEf+‐rEr- Er- r t L Ef+ Er- Ef- =　Er-exp(-ikL) P 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

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 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 E M 発光 G P P1 P2 出力 Ef+ Er+ Ef− Er− rH 帰還光 外部ノイズ H Transfer Matrix方程式 出力

利得関数 利得飽和の効果と発散抑制の項を導入 ←利得飽和 利得 閾値 ←ピークの発散を抑制 Intensity – Gain 曲線 （超過分は発光に換算） 閾値 ←ピークの発散を抑制 ：利得領域長 ：両端面の反射率 FWHM：レーザー線幅（典型的な値） ：エタロンの透過率 FSR：モード間隔 Intensity – Gain 曲線 レーザー特有の出力‐利得曲線が得られた。 Intensity (a.u.) 以後、 を使用する。

SMSRと可変チャンネル数の兼ね合いを考える 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 可変域 Intensity (a.u.) Intensity (a.u.) frequency (a.u.) frequency (a.u.) エタロンと 外部共振器のFSR差 大 小 SMSR 高い（良） 低い（悪） (Side Mode Suppression Ratio) 少ない（悪） 多い（良） 可変チャンネル数 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 外部共振器のFSR=19.74 GHz 可変ch数=16ch, SMSR=35.6 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

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。 計算結果 広帯域周波数変調の様子 発振周波数　(THz) SMSR (dB) 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・・・ １つのモードのみで、 1 THz Intensity (a.u.) frequency (a.u.) 反射率 周波数 １つのモードのみで、 発振させることが出来る。 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。 197

寛容性－屈折率＆エタロン入射角 位相調整領域の屈折率による 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・SMSRのゆらぎ 0.3 GHz 発振周波数 発振周波数 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 エタロンの角度の変化量 < 0.005° （0.3 GHzの周波数シフト） （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