バーニア効果を用いた 外部共振器型半導体レーザー

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1 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 目的 原理 エタロンフィルタによる機械的な発振周波数制御実験 電気的な発振周波数制御の原理と予備実験 今後の展望

2 背景 光通信 WDM (Wavelength Division Multiplexing)
１本の光ファイバに波長の異なる複数の光信号を多重化し同時に伝送する方法 大容量伝送を実現 半導体レーザー l1 l2 l3 ln … 合波器 ～ 0.8nm(=100GHz)間隔の複数のチャンネル 現状では・・・ 半導体レーザーの広帯域変調は困難なため１つの波長に対して１つの光源が必要

3 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
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 100 GHz Intensity (a.u.) ・・・ 100 200 300 detuning (GHz) detuning (GHz) detuning (GHz) detuning (GHz)

4 Sampled Grating DBR laserによる広帯域変調
Gain Phase R1 R2 Beat コンパクトである反面、動作が複雑であることや 高度な結晶加工技術が必要であるという短所もある。 本実験では 制御性や拡張性の良さ、温度安定性などを見込んで、 外部共振器付半導体レーザーとエタロンフィルタを用いた。

5 外部共振器型半導体レーザー 通常は・・・ 外部共振器型は・・・ 注入電流によって周波数と強度が同時に変調されてしまう。 狭帯域。
反射防止膜 結晶へき開面に 反射防止加工(AR coating)を施し、 その外部に共振器を作成する。 結晶へき開面が反射鏡として働き、 ファブリペロー共振器を構成している。 注入電流によって周波数と強度が同時に変調されてしまう。 狭帯域。 外部に作成した共振器によって 周波数だけを広帯域にわたって制御可能。

6 直線型外部共振器 長所 効率が良い lens 扱い易い mirror laser diode 短所（本実験における） 戻り光に弱い
　効率が良い 　扱い易い 短所（本実験における） 　戻り光に弱い 　光が往復している lens mirror laser diode etalon LD AR coating リング型外部共振器 長所 　空間的ホールバーニング 　がない 　戻り光を防ぐことができる 　光は一方通行 optical isolator LD

7 バーニア効果 片方の 共振器の FSRを変化 個々の共振器の透過率 ２つの共振器のビート透過率 個々の共振器の透過率
1 複合共振器を作成し、 そのビートを制御する 透過率 周波数 ２つの共振器のビート透過率 1 透過率 片方の 共振器の FSRを変化 周波数 個々の共振器の透過率 1 透過率 周波数 ２つの共振器のビート透過率 1 透過率 周波数

8 エタロンフィルタ 透過率 共振周波数間隔(Free Spectral Range) 鋭さ(finesse) エタロンフィルタの透過率
1 FSR FWHM 透過率 0.5 周波数 n

9 エタロンフィルタの透過スペクトル FSR=95 GHz, finesse=5.1 FSR=100 GHz, finesse=36
0.16 透過率 透過率 195.8 196 196.2 196.4 196.6 195.8 196 196.2 196.4 196.6 周波数(THz) 周波数(THz) ２枚のビート 0.1 透過率 分解能：6.4 GHz 195.8 196 196.2 196.4 196.6 周波数(THz)

10 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 polarizing beam splitter (PBS) l/2 plate optical isolator lens LD mirror laser diode spectrum analyzer linewidth 50 kHz

11 外部共振器型半導体レーザーの写真 LD

12 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.) frequency (THz) 100GHz
q (deg) intensity (a.u.) 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 195 195.5 196 196.5 197 197.5 frequency (THz)

13 解析 エタロン板の角度によるピーク位置のズレを計算 1 100GHz 透過率 0.5 Dq 周波数 1 100GHz 透過率 0.5 周波数

14 エタロンの角度による発振周波数シフトの解析
197.5 197 196.5 発振周波数 (THz) 196 195.5 195 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 エタロンの角度 (deg)

15 電気的な制御 今まで エタロンの角度による 機械的な制御 遅い変調 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

16 電気光学効果を有するエタロン V 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

17 レーザーチップの顕微鏡写真 300 mm 100 mm 300 mm 100 mm

18 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 ピーク位置の変化 194.35 電流 194.3 透過光強度 (a.u.) 周波数　(THz) 194.25 194.2 194.2 194.25 194.3 194.35 1 周波数　(THz) 電流　(mA)

19 問題点 ２枚のエタロンのビート 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？
1 25 GHz ２枚のエタロンのビート transmittance frequency 1 25 GHz transmittance frequency 共振器縦モード 1 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？ 1 GHz transmittance frequency

20 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 HR AR 共振器の縦モード エタロン ビート × transmittance transmittance transmittance frequency frequency frequency

21 Transfer Matrix による 発振スペクトルのシミュレーション
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 P Ef+ Ef- = Er-exp(-ikL) Er+ ＝ tEf+exp(-ikL) Er- L M Ef+ Ef- = rEf+ + tE- Er+ ＝ tEf+‐rEr- Er- r t We simulated the lasing spectra using the transfer matrix. Transfer matrix is the method for describing the relation between the left-side electric field and right-side one. For example, this is transfer matrix of a reflector M. And this is transfer matrix of space P. The lasing spectra are calculated by applying these matrixes to the components of the external cavity laser. P M 反射型 伝搬型

22 発振スペクトルの計算 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） E M
G P P1 P2 出力 Ef+ Er+ rH Ef− Er− 帰還光 外部ノイズ H 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）

23 The calculated lasing spectrum
発振スペクトルの計算結果 The calculated lasing spectrum SMSR > 30 dB This figure shows the calculated lasing spectrum. According to this simulation, the side mode suppression ratio is better than thirty dB and the lasing frequency is shifted to the next channel by variation of the refractive index about ten to the minus four. We can design the new external cavity lasers using this method. intensity (a.u.) frequency (Hz)

24 発振周波数がシフトする様子 intensity (a.u.) frequency (Hz)

25 問題点２ エタロンを挿入することで閾値が増大する 自由発振 エタロン２枚挿入 power (mW) power (mW)
2.0 0.2 1.5 0.15 1.0 0.1 power (mW) power (mW) 0.5 0.05 閾値 閾値 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 20 30 40 50 60 70 80 90 current (mA) current (mA)

26 まとめ ２枚のFSRの異なるファブリ・ペローエタロンを用いてリング型外部共振器付半導体レーザーの発振周波数を1ch(100 GHz)ずつシフトさせることが出来た。 ２枚のエタロンの透過率を計算することによって得られた発振周波数のエタロン板の角度に対する依存性は実験結果と良く一致した。 電気的な発振周波数制御予備実験として、レーザーチップのFSRの注入電流依存性を測定することができた。

27 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