Challenge to realize wide frequency range low phase noise semiconductor lasers

• Project/Area Number: 19H02185
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: YASAKA HIROSHI 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (50509099)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
• Keywords: 半導体レーザ / 狭線幅 / 高速変調 / 周波数雑音 / 位相雑音 / 光負帰還 / 狭線幅光源 / 低位相雑音光源 / 光負帰還法 / 高速変調光源

Outline of Research at the Start

次世代光-無線融合通信システムや高精度光計測システムの高性能化・高機能化を牽引する光源技術となる、独自技術である光負帰還技術を駆使した広い周波数領域で低位相雑音特性を有する小型超狭線幅半導体レーザ光源の実現を目指す。
本光源の実現へ向け、光子共鳴効果を誘起する外部共振器と高周波数領域の変調応答特性制御を可能とする混合変調機構を導入することで周波数変調帯域を飛躍的に拡大した超高速直接変調半導体レーザ光源を実現し、その応答特性の実験的検証と超高速動作実証を目指すとともに、光負帰還技術との融合を図ることで小型な広帯域低位相雑音半導体レーザ光源を実現する。

Outline of Final Research Achievements

It is confirmed experimentally that the hybrid modulation semiconductor laser with cavity length of 595 um has wide modulation bandwidth close to 80 GHz. It is also confirmed that phase noise reduction bandwidth can enlarge almost one order of magnitude by applying optical negative feedback method to the hybrid modulation semiconductor laser. It is shown numerically that the E/O modulation bandwidth of the hybrid modulation laser can enlarge up to 130 GHz and dynamic single mode operation with 100 Gbit/s NRZ signal can be realized by shortening the cavity length. It is also shown that the optical negative feedback semiconductor laser can improve the system performance of FMCW-LiDAR thanks to the laser's narrow spectral linewidth and ability of direct frequency modulation by injection current.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

簡便な構成で半導体レーザの発振スペクトル線幅の狭窄化（位相雑音低減）が可能な光負帰還法と周波数変調帯域の拡大が可能な混合変調半導体レーザを組み合わせることで広帯域位相雑音低減を実現した半導体レーザ光源が実現できることを明確にしたことは学術的意義の高い成果である。また実現困難とされてきたサブTbit/s NRZ信号で動的単一モード動作可能な半導体レーザの実現可能性を明確化したことも学術的意義の高い成果である。本成果によってコンパクトで超高速動作可能な半導体レーザを安価に提供できる可能性があり、光通信システムのコスト低減へ大きく貢献できる等、社会的意義の高い成果が得られた。

Research Products

• [Journal Article] Directly modulated optical negative feedback lasers for long-range FMCW LiDAR (2022)
  • Author(s): N. Yokota, H. Kiuchi, H. Yasaka
  • Journal Title: Optics Express Volume: 30 Issue: 7 Pages: 11693-11703
  • DOI: 10.1364/oe.452284
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Measurement of Intrinsic Modulation Bandwidth of Hybrid Modulation Laser (2020)
  • Author(s): M. Kanno, N. Yokota, H. Yasaka
  • Journal Title: IEEE Photonics Technology Letters Volume: 32 Issue: 13 Pages: 839-842
  • DOI: 10.1109/lpt.2020.2993797
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of modulation bandwidth in narrow spectral linewidth semiconductor lasers under optical negative feedback (2020)
  • Author(s): N. Yokota, H. Kiuchi, H. Yasaka
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Issue: 10 Pages: 102001-102001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abb39d
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Performance improvement of optical negative feedback laser by reducing feedback loop length (2020)
  • Author(s): S. Sato, G. Aizawa, N. Yokota, and H. Yasaka
  • Journal Title: IEICE Electronics Express Volume: 17 Issue: 4 Pages: 20190750-20190750
  • DOI: 10.1587/elex.17.20190750
  • NAID: 130007801903
  • ISSN: 1349-2543
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 光負帰還混合変調レーザによる周波数雑音低減帯域拡大 (2022)
  • Author(s): 吸坂直樹、横田信英、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] 混合変調半導体レーザの100-Gbit/s NRZ動的単一モード動作 (2022)
  • Author(s): 内山香、横田信英、小林亘、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] Measurement of wide-band modulation characteristic in hybrid modulation laser (2022)
  • Author(s): T. Shima, M. Yoshida, N. Yokota, W. Kobayashi, H. Yasaka
  • Organizer: 27th OptoElectronics and Communications Conference (OECC) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical analysis of hybrid modulation semiconductor lasers for 100 Gbit/s dynamic single mode operation (2022)
  • Author(s): K. Uchiyama, N. Yokota, W. Kobayashi, H. Yasaka
  • Organizer: 27th OptoElectronics and Communications Conference (OECC) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 混合変調レーザの広帯域小信号応答特性の評価 (2021)
  • Author(s): 島卓未、吉田真人、横田信英、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 混合変調半導体レーザの変調帯域特性の共振器内部損失依存性 (2021)
  • Author(s): 内山香、横田信英、吉田真人、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 光負帰還狭線幅半導体レーザの直接変調を用いた長距離測距 (2021)
  • Author(s): 木内啓生、横田信英、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 光負帰還狭線幅半導体レーザとその測距光源への応用 (2021)
  • Author(s): 横田信英、木内啓生、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
  • Invited
• [Presentation] Low-phase-noise optical negative feedback laser for long-distance ranging with high signal-to-noise ratio (2021)
  • Author(s): N. Yokota, H. Kiuchi, and H. Yasaka
  • Organizer: 27th International Semiconductor Laser Conference (ISLC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 混合変調レーザの広帯域応答に向けた検討-Wideband Response of Hybrid Modulation Laser- (2021)
  • Author(s): 島卓未、吉田真人、横田信英、八坂洋
  • Organizer: Photonic Device Workshop (PDW) 2021
• [Presentation] 光負帰還による混合変調レーザの周波数雑音低減 -Frequency noise reduction of hybrid modulation laser by optical negative feedback- (2021)
  • Author(s): 吸坂直樹、横田信英、八坂洋
  • Organizer: Photonic Device Workshop (PDW) 2021
• [Presentation] 共振器内部損失変調を併用した混合変調レーザの広帯域動作 (2021)
  • Author(s): 八坂洋、内山香、横田信英
  • Organizer: 東北大学電気通信研究所共同プロジェクト研究会
  • Invited
• [Presentation] 光負帰還狭線幅半導体レーザの周波数掃引線形化 (2021)
  • Author(s): 木内啓生、相澤元太、横田信英、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
• [Presentation] 光負帰還狭線幅半導体レーザの広帯域FMノイズ特性評価 (2020)
  • Author(s): 横田信英、木内啓生、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 光負帰還用Siリングフィルタの光損失低減による半導体レーザ狭線幅化の検討 (2020)
  • Author(s): 相澤元太、佐藤翔太、横田信英、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Presentation] 次世代光通信用高機能半導体レーザ光源 (2019)
  • Author(s): 八坂洋、横田信英、菅野光成、佐藤翔太
  • Organizer: 電子情報通信学会 レーザ・量子エレクトロニクス研究会（LQE）
  • Invited
• [Presentation] 帰還ループ低位相遅延化による光負帰還狭線幅半導体レーザの高性能化 (2019)
  • Author(s): 佐藤翔太、横田信英、八坂洋
  • Organizer: 電子情報通信学会ソサイエティ大会
• [Remarks] 八坂研究室ホームページ
  • URL: http://www.yasaka.riec.tohoku.ac.jp/