電流注入利得スイッチレーザー活性層の限界駆動高速非線形性とその電気的制御

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01361
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 秋山 英文 東京大学, 物性研究所, 教授 (40251491)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 半導体レーザー / 利得スイッチ / 電流注入 / 限界駆動 / 非線形

Outline of Annual Research Achievements

電流注入利得スイッチ半導体レーザーに、通常の最大定格を大きく超える限界的に強い駆動を高速電気パルスで加えること（限界駆動）によって、非摂動領域の極端非線形応答を引き出して、超短光パルスを発生する方法を研究した。
実験において、パッケージ済み試料と、高速短パルス駆動電源をつなぐ際に、高速電気パルスのバンド幅の劣化や反射などを起こさずにつなぐために、新たな冶具を開発した。開発した冶具を用いてRFコネクタを経由する方法と経由しない方法の両方について、実験を行った。高速フォトダイオード（PD）と高速サンプリングオシロスコープからなる測定系で、出力光パルスの励起強度依存性を計測した。高速短パルス駆動電源自体のジッターの影響を低下が問題になることが解ったので、それを回避する方策を工夫した。多数の試作素子の測定結果から、それぞれのデバイスパラメータおよび電気的制御パラメータに対して、パルス幅、立ち上がり、立下り、遅延、チャープなどのデータを抽出し、それらをデータベース化した。また、市販品中で最速の変調帯域 30 GHzの1270 nm DFB-LDの利得スイッチ動作の実験も進めた。約90psの幅の電気パルスを注入し、分散補正用にシングルモードファイバを透過させ、それ以外のスペクトルフィルタリングや非線形パルス圧縮など付加的な手法を用いることなく、最短の5.3psパルス幅のフーリエ限界に近い光パルスを発生・評価分析した。
これらの実験結果を、理論計算と比較した。理論計算としては、2012年Chenらの非線形利得レート方程式理論と比較した。DFBレーザーについては、伝送行列法（TMM法）を用いて素子を詳細にモデル化し、その素子モデルに対して、非線形利得レート方程式理論計算を行った。パルスの線形チャープと非線形チャープの様子が、理論と実験で定性的によく一致した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Regulating the crystal orientation of vapor-transport-deposited GeSe thin films by a post-annealing treatment (2024)
  • Author(s): Zheng Shiqi、Qin Deyang、Wang Rui、Pan Yuxin、Weng Guoen、Hu Xiaobo、Chu Junhao、Akiyama Hidefumi、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 63 Pages: 2752～2752
  • DOI: 10.1364/AO.521605
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Subnanosecond Marx Generators for Picosecond Gain-Switched Laser Diodes (2024)
  • Author(s): Cao Fuyi、Jiang Dongxin、Liu Yuejun、Tian Yunpeng、Ran Xu、Long Yisu、Ito Takashi、Hu Xiaobo、Weng Guoen、Akiyama Hidefumi、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: IEEE Photonics Journal Volume: 16 Pages: 1～8
  • DOI: 10.1109/JPHOT.2023.3342450
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Carrier tunneling and transport in coupled quantum wells: Modeling and experimental verification (2024)
  • Author(s): Cao Fuyi、Su Zhan、Wang Cong、Chen Yuhao、Weng Guoen、Wang Chang、Hu Xiaobo、Akiyama Hidefumi、Chu Junhao、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 124 Pages: 161106
  • DOI: 10.1063/5.0202473
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Observation of Terahertz Spin Hall Conductivity Spectrum in GaAs with Optical Spin Injection (2024)
  • Author(s): Fujimoto Tomohiro、Kurihara Takayuki、Murotani Yuta、Tamaya Tomohiro、Kanda Natsuki、Kim Changsu、Yoshinobu Jun、Akiyama Hidefumi、Kato Takeo、Matsunaga Ryusuke
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 132 Pages: 016301
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.016301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Twisting and Protonation of Retinal Chromophore Regulate Channel Gating of Channelrhodopsin C1C2 (2023)
  • Author(s): Shibata Keisei、Oda Kazumasa、Nishizawa Tomohiro、Hazama Yuji、Ono Ryohei、Takaramoto Shunki、Bagherzadeh Reza、Yawo Hiromu、Nureki Osamu、Inoue Keiichi、Akiyama Hidefumi
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 145 Pages: 10779～10789
  • DOI: 10.1021/jacs.3c01879
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gain-switched pulse generation of 5.3 ps from 30 GHz-modulation-bandwidth 1270 nm DFB laser diode (2023)
  • Author(s): Kobayashi Masataka、Nakamura Takahiro、Nakamae Hidekazu、Kim Changsu、Akiyama Hidefumi
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 48 Pages: 6344～6344
  • DOI: 10.1364/OL.510237
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impacts of SiO2-Buried Structure on Performances of GaN-Based Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (2023)
  • Author(s): Xu Rongbin、Akiyama Hidefumi、Zhang Baoping
  • Journal Title: IEEE Transactions on Electron Devices Volume: 70 Pages: 5701～5706
  • DOI: 10.1109/TED.2023.3309617
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Crystallization mechanism and lasing properties of CsPbBr3 perovskites by chemical vapor deposition (2023)
  • Author(s): Su Zhan、Cao Zhenghao、Cao Fuyi、He Yawen、Zhang Jing、Weng Guoen、Hu Xiaobo、Chu Junhao、Akiyama Hidefumi、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: Chemical Engineering Journal Volume: 472 Pages: 144906～144906
  • DOI: 10.1016/j.cej.2023.144906
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Influence of S-content ratios on the defect properties of Sb2(Sx, Se1-x)3 thin-film solar cells (2023)
  • Author(s): Wang Rui、Qin Deyang、Zheng Shiqi、Weng Guoen、Hu Xiaobo、Tao Jiahua、Chu Junhao、Akiyama Hidefumi、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: Solar Energy Materials and Solar Cells Volume: 260 Pages: 112501～112501
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2023.112501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Temperature sensitivity of adjustable band gaps of Sb2(S, Se)3 solar cells via vapor transport deposition (2023)
  • Author(s): Qin Deyang、Pan Xingyu、Wang Rui、Pan Yanlin、Wang Youyang、Zhang Jianing、Ding Xiaolei、Chen Yuhao、Zheng Shiqi、Ye Shoujie、Pan Yuxin、Weng Guoen、Hu Xiaobo、Tao Jiahua、Zhu Ziqiang、Chu Junhao、Akiyama Hidefumi、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: Solar Energy Materials and Solar Cells Volume: 263 Pages: 112582～112582
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2023.112582
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lasing properties and carrier dynamics of CsPbBr3 perovskite nanocrystal vertical-cavity surface-emitting laser (2023)
  • Author(s): He Yawen、Su Zhan、Cao Fuyi、Cao Zhenghao、Liu Yuejun、Zhao Chunhu、Weng Guoen、Hu Xiaobo、Tao Jiahua、Chu Junhao、Akiyama Hidefumi、Chen Shaoqiang
  • Journal Title: Nanophotonics Volume: 12 Pages: 2133～2143
  • DOI: 10.1515/nanoph-2023-0081
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 超高速半導体レーザー利得スイッチの基礎と応用 (2023)
  • Author(s): 秋山英文
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 変調帯域30GHzDFB 半導体レーザーによる5.3ps 利得スイッチパルス発生 (2023)
  • Author(s): 小林真隆，中村考宏，曹伏毅，中前秀一，金昌秀，陳少強，秋山英文
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉メカニズム (2023)
  • Author(s): 柴田桂成, 小田和正, 西澤知宏, 挾間優治, 小野稜平, 寶本俊輝, Reza Bagherzadeh, 八尾寛, 濡木理, 井上圭一, 秋山英文
  • Organizer: 第8回フォトニクスワークショップ
• [Presentation] チャネルロドプシンC1C2におけるレチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネル開閉メカニズム (2023)
  • Author(s): 柴田桂成, 小田和正, 西澤知宏, 挾間優治, 小野稜平, 寶本俊輝, Reza Bagherzadeh, 八尾寛, 濡木理, 井上圭一
  • Organizer: 第78回日本物理学会年次大
• [Presentation] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉制御 (2023)
  • Author(s): 柴田桂成, 小田和正, 西澤知宏, 挾間優治, 小野稜平, 寶本俊輝, Reza Bagherzadeh, 八尾寛, 濡木理, 井上圭一, 秋山英文
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] 光開閉型陰イオンチャネルロドプシンGtACR1の光反応中におけるレチナール発色団の構造変化に関する研究 (2023)
  • Author(s): 柴田桂成, 川﨑佑真, 寳本俊輝, 渡部誠也, 福田昌弘, 小野稜平, 加藤英明, 秋山英文, 井上圭一
  • Organizer: 第17回分子科学討論会
• [Presentation] レチナール発色団のねじれとプロトン化によるチャネルロドプシンC1C2のチャネル開閉メカニズム (2023)
  • Author(s): 柴田桂成, 小田和正, 西澤知宏, 挾間優治, 小野稜平, 寶本俊輝, Reza Bagherzadeh, 八尾寛, 濡木理, 井上圭一, 秋山英文
  • Organizer: 第23回日本光生物学協会年会