高速応答位相共役鏡共振器におけるセルフポンプ発振の研究

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25390097
• Research Institution: Osaka City University
• Principal Investigator: 向井 孝彰 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (10419674)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 位相共役 / セルフポンプ位相共役鏡 / 広ストライプ半導体レーザ / ブロードアリア半導体レーザ / 位相共役光共振器 / 発振線幅 / 半導体増幅媒質

Outline of Annual Research Achievements

１．広ストライプ半導体レーザの発振スペクトルが、発振しきい値以上の注入電流では、垂直および斜め光フィードバック時の両方で、多数の素子モードで発振していることを前年度観測していたため、今年度は位相共役共振器内を周回する光のスペクトルを、素子モードと外部共振器モードに区別して観測し、縦モードの単一化を図った。平面反射鏡からのθ=5°の斜めフィードバック実験では3～4本の素子モードが発振していたが、ブレーズド回折格子に11倍のビームエクスパンダを組み合わせた斜めフィードバック実験により、サイドモード抑圧比15dB以上で素子モードを単一化できることを明らかにした。
２．更に、3GHzの自由スペクトル間隔(FSR)を持つファブリ・ペロ分光器を用いたより詳細な外部鏡モード（モード間隔0.27GHz）の観測では、θ=0°の垂直フィードバック時には約10本の外部鏡モードが発振しているが、θ=5°の斜めフィードバックに移行するだけで、単一の外部共振器モードで動作することを初めて実証した。これは、斜めフィードバック実験でのみ実装される位相共役共振器の効果であると考えられる。なお、この斜めフィードバックにおける外部鏡モードスペクトルの観測では、位相共役共振器に特徴的なc/4L(～0.135GHz)のスペクトル間隔も観測している。
３．従来は多数素子モードのスペクトル状態で位相共役反射率Rpcを測定し、Rpc=40%～80%の実測値を得てきたが、単一素子モード条件下で位相共役反射率を実測してもほぼ同等の値が得られた。これは光波を斜め方向からフィードバックし空間的回折格子を形成することが位相共役鏡の核心部であり、この光波に複数の波長成分が含まれていてもその波長差が中心波長の1％以下では空間回折格子の周期にほとんど差を生じないためである。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

１．位相共役反射率の実測値は40％～80％まで向上したが、位相共役鏡共振器の自励発振の目安である100％を越える反射率の実現までにはあと少しである。前面反射率の更なる低減やより高精度な反射防止膜の可能性を追求し、位相共役鏡共振器の自励発振の実現を早急に図る必要がある。
２．外部反射鏡に波長選択機能を付加することにより、位相共役共振器内を周回する光のスペクトルを、素子モードと外部鏡モードが共にシングルとなる状況を実現することができた。これにより、本来のターゲットである発振線幅狭窄化の実証実験を、今後開始することが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

１．ブレーズド回折格子からの斜め光フィードバック実験により素子モードと外部鏡モードを共に単一モードとすることができたため、この条件下で、①外部鏡共振器長L を波長程度変化させても位相共役共振器の効果により光出力に変動が生じないことの実験的検証、②単一の外部鏡モード状態でのスペクトル線幅を、(Ａ)遅延自己ヘテロダイン測定法と(Ｂ)独立した2台の位相共役共振器からの光によるヘテロダイン測定法の両者を用いて実験的に明らかにする。
２．現状の広ストライプ半導体レーザは前面側15％、裏面側95％の反射率構造を持つため、位相共役鏡共振器の自励発振の前に、広ストライプ半導体レーザの前面と裏面反射鏡の間で通常のレーザ発振が生じてしまっており、この発振光の存在により利得が飽和した条件下での光非線形動作となっている。前面反射率3.75％の広ストライプ半導体レーザを入手したため、発振しきい値の上昇に伴うしきい値での増幅利得の増加による位相共役反射率の向上が期待できる。更に広ストライプ半導体レーザの前面側反射率を0.1％程度まで低減できれば、通常のレーザ発振が起こる前に活性層内で形成されるキャリア密度の空間的回折格子に基づく位相共役鏡共振器の自励発振が立ち上がる可能性があり、その場合には未飽和利得に近い光非線形動作を実現できる可能性がある。