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

バーニア効果を用いた外部共振器型半導体レーザー

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

波長多重伝送 (WDM)システム

半導体レーザー

半導体レーザー

半導体レーザー

半導体レーザー

n

…

合波器

100 GHz

波長可変光源

波長別ルーティング

～ ～波長可変光源

波長可変光源

固定波長光源

ADD

DROP

光アド・ドロップ (OADM)

光クロスコネクト (OXC)

バックアップ用

任意の波長を追加

任意の波長に変換

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

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

周波数

100 GHz

Laser

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

今回

原理：バーニア効果

発振状態

複合モード

個別のモード

1 1 2

1発振状態 2発振状態

片方の共振条件を調整

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

共振条件が一致した

波長で発振する

一方の波長グレーティングが変化

広帯域波長可変外部共振器型半導体レーザー

193.4 193.45 193.5 193.55 193.6 193.650

0.2

0.4

0.6

0.8

11

0

T1 ( )

193.7193.4

193.4 193.45 193.5 193.55 193.6 193.650

0.2

0.4

0.6

0.8

11

8.159 104

f ( )

193.7193.4

Gain Phase

193.4 193.45 193.5 193.55 193.6 193.650

0.2

0.4

0.6

0.8

11

0

f ( ) T1 ( )( )2

193.7193.4

×

共振器の縦モード エタロン ビート

AR膜HR膜

frequency frequency frequency

tran

smit

tanc

e

tran

smit

tanc

e

tran

smit

tanc

e

エタロン位相調整領域付半導体レーザーチップ

外部反射鏡

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

コリメートレンズ

Transfer Matrix法

M

Ef+

Ef- = rEf+ + tE-

Er+ ＝ tEf+‐rEr-

Er-

r t

P

Ef+

Ef- = 　 Er-exp(-ikL)

Er+ ＝ tEf+exp(-ikL)

Er-

L

f

f

r

r

E

E

tt

rt

r

tE

E1

1

f

f

r

r

E

E

ikL

ikL

E

E

)exp(0

0)exp(

MP

ある光学的要素による入・出力光の関係を行列で表現

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

G P

E M

P1 P2Ef+ Er+

Ef− Er−

発光 出力

帰還光 外部ノイズrH

計算モデル

H

2221

1211

RR

RRGPPEPMR 12

f

f

r

r

E

E

E

ER

f

H

r E

RR

rR

RRRE

22

2122

211211

1

1出力

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

Transfer Matrix方程式

利得関数

)1(

)1(

th

thth aga

aggag

←利得飽和

2HMg

th

1ln

2

1

rrLg

FSR

FWHM

利得飽和の効果と発散抑制の項を導入

←ピークの発散を抑制

利得

閾値

gL Mr Hr

FWHM：レーザー線幅（典型的な値）FSR：モード間隔

：利得領域長 ：両端面の反射率：エタロンの透過率

（超過分は発光に換算）

0 1 2 3a

Inte

nsit

y (a

.u.)

Intensity – Gain 曲線

レーザー特有の出力 ‐利得曲線が得られた。

以後、を使用する。

th1 gga

パラメーター

Inte

nsit

y (a

.u.)

Inte

nsit

y (a

.u.)

frequency (a.u.) frequency (a.u.)

1 THz 1 THzSMSR

可変域

(Side Mode Suppression Ratio)

可変チャンネル数

高い（良） 低い（悪）

多い（良）少ない（悪）

SMSR

エタロンと外部共振器の FSR差 大 小

出力の計算結果（左右で外部共振器の FSRが異なる）

SMSRと可変チャンネル数の兼ね合いを考える

10

20

30

40

50

15 20 25 30 35 40

（ 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

SMSR (dB)

可変チャンネル数

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

位相調整領域の屈折率

発振周波数　

(TH

z)S

MS

R (dB

)広帯域周波数変調の様子

計算結果

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)

Inte

nsit

y (a

.u.)

frequency (a.u.)

1 THz

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・・・

周波数

反射率

10-210-1100101102103104105106

Inte

nsity

(a.u

.)

197x1012196195194193192Frequency (THz)

197

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。

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発振周波数・ SMSRのゆらぎ

エタロンの角度による発振周波数・ SMSRのゆらぎ

35 dB

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°

発振周波数

発振周波数

5×10-5 0.005°

0.3 GHz0.24 GHz

（ 0.3 GHzの周波数シフト） （ 0.24 GHzの周波数シフト）

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。　　 (np < 5×10-5, < 0.005° for SMSR > 35 dB)

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。

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

まとめ

今後の展望