木下基、Manyalibo J. MatthewsA、秋山英文

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1 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

2 100 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。

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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。

9 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

10 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

11 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)

12 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

13 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）

14 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