2015 Fiscal Year Research-status Report
強励起利得スイッチング半導体レーザーからの極限短パルス光発生とその発生機構解明
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26390075
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
吉田 正裕 東京大学, 物性研究所, 研究員 (30292759)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 半導体レーザー / 利得スイッチング動作 / 長短パルス / 光エレクトロニクス / 光学非線形効果 / 光源技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H27年度は、H26年度に引き続き、強励起利得スイッチング動作による半導体レーザーからの極限短光パルス発生実験として、短光パルスを使用した光強励起によるレーザー発振実験を行った。光励起用試料には利得導波型GaAs バルクレーザーを用いた。励起光源には自開発ファイバーレーザー光源(パルス幅 300 fs)及びモードロック TiSa レーザー(パルス幅 2 ps)を使用した。昨年度、パルス幅300fs光源を使用したレーザー共振器一様励起実験において、高密度強励起下で短波長側にスペクトル広がり持つ光パルス発生を観測し、その短波長成分のパルス幅が試料温度5Kで1 ps以下であることを報告した。今年度、励起光源や試料温度を変えた実験を行い、同様に短波長スペクトル広がり持つ光パルスの発生、短波長成分が1ps程度以下と励起光パルスよりも短いパルスとなることを確認し、通常の利得スイッチングパルスとは異なる発生メカニズムによると考察した。
また、電流注入型半導体レーザーの強励起利得スイッチング実験に向けて、多電極（マルチセクション）半導体レーザーデバイス(以下、LD)の設計と試作を行った。GaAs系レーザー基板構造を結晶成長し、フォトリソグラフィプロセスにてLD構造を作製した。2電極LD試料の一方の電極（利得領域）に順バイアス電流（電圧）パルスを、他方の電極（吸収領域）に逆バイアス電圧を印加しそのレーザー発振を観察した。吸収領域に逆バイアス電圧を印加しない場合には通常の利得スイッチングによるレーザー発振が観測された。印加する逆バイアス電圧を増加させていくと、光パルス幅が数psから数十psの多重光パルス発振状態へと変化した。この特異な多重光パルス発振は、逆バイアス電圧に強く依存することがわかった。
これらの実験は、研究代表者が所属する研究室教授、研究室博士研究員、大学院生の協力を得て推進した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光強励起利得スイッチング動作によるパルス発振実験において、短波長スペクトル広がり持つ光パルスが発生すること、またその短波長成分のパルス幅が励起光パルスより短い1psを切ることなどの特異なレーザー発振現象を観測した。温度依存性や励起パルス幅依存性の系統的な実験を行い、このパルス発振が普遍現象であることを確認した。このパルス発振は、そのパルス幅がレーザーの共振器寿命よりも短く、通常の利得スイッチング動作では説明できない別の発生機構によると考えられるなどの新たな発見があった。
一方、電流注入型マルチセクションLDデバイスを試作し、今年度は初期の予備評価実験において、レーザー発振と逆バイアス印加吸収変調によるレーザー発振状態の遷移を観測するところまで達成した。ロシアLevedev 物理学研究所Vasil'ev博士、英国Cambridge 大White教授らも、利得層と可飽和吸収層を有する2 セクションLD にて、類似のレーザー発振現象を観測しており、彼らはそこで観測されたサブピコ秒光パルス発生を半導体における超放射現象に起因すると考察している。しかし、その物理的機構の詳細は依然不明である。今年度、本研究で試作したLDにて類似の新奇パルス発振に成功しており、今後その詳細評価を行うことで、その発生メカニズム解明に迫まれると期待できる。
光励起、電流注入型ともに試作デバイスにおいて、特異なパルス発振を観測しており、本研究で目的とする強励起利得スイッチング動作下での半導体レーザーからの短パルス発生とその発生メカニズム解明に向け、詳細実験を行う環境が整った。以上の成果を踏まえ、当初の計画から研究推進方策の変更はあったものの、研究全体としては概ね研究目標達成に向けて順調に進んでいると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度に研究代表者が所属先を異動することになった。これまでは前所属先が所有する大型かつ高額な実験装置類使用し、レーザー発振実験を行ってきたが、異動に伴いそれら装置類の自由な使用が難しくなる。それを踏まえて研究計画を当初のものから一部修正変更することとした。H27年度はデバイス作製とレーザー発振実験を集中して行い、当初予定していたレーザー発振の数値シミュレーションによる解析はH28年度に行うことにした。
一方で、電流注入型マルチセクションLDでのレーザー発振予備実験において、Vasil'ev博士らが観測した超放射効果によると主張するパルス発振と類似したレーザー発振現象を観察しており、今後より詳細な実験が必須である。H28年度は、その背景にある物理機構を解明するための詳細実験として、順バイアス電流（電圧）パルス強度、パルス幅、逆バイアス電圧振幅を変えた実験を行い発振モードのマッピングを行う。これらの実験は、前所属先教授並びに研究室博士研究員、大学院生の協力を得て進めていきたい。
光励起や電流注入強励起による利得スイッチング動作で、通常のレート方程式解析からは予測できない光パルス発生を観測している。これは光共振器内部での励起（利得発生）の局在性や光パルス伝搬が大きく関与していることを示唆している。そこで、数値計算側からはまず伝搬型レート方程式や多モードレート方程式による理論解析を行い、実験結果との比較考察を行う。この比較考察から利得スイッチング動作時の巨大分極形成の可能性や光短パルス発生への寄与にある程度の目星を付けた上で、分極形成効果を含むMaxwell-Bloch方程式を用いたシミュレーションへと進めていく。
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| Causes of Carryover |
H28年度に研究代表者が所属先を異動することになった。H27年度までは所属先が所有する大型（高額）実験装置類を実験に使用していたが、異動に伴いそれら装置類の使用が難しくなる。そこで、研究計画の一部修正変更を行った（「今後の研究の推進方策」参照）。その変更を踏まえて、H27年度の経費支出は研究遂行必要最小限とし、H28年度異動先にて本研究を早急に立ち上げかつ有効に推進するために必要となる物品類の購入に充てることにした。これに伴い、次年度使用額が発生した。
主には、レーザー発振実験結果を考察するとして当初H27年度より数値シミュレーションを開始する予定でいたが、H27年度はデバイス試作とレーザー発振実験に注力することにしたため、数値シミュレーション用として確保していた経費（計算機、ソフトウェア購入費）の使用を見送ることとなった。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
強光励起や大電流パルス注入による利得スイッチング動作において、特異なレーザー発振現象が観測されており、その物理メカニズム解明に向けて、数値シミュレーションによる理論解析と考察を行う。そこで使用する計算機、ソフトウェア類（H27年度に見送ったもの）を備品・消耗品経費にて購入する。
また、マルチセクションLDデバイスへの大電流パルス注入による利得スイッチング動作実験を行うため、そこで用いる電流駆動実験系を構築するために必要となる装置、部品、消耗品を購入する。
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[Journal Article] Transient gain analysis of gain-switched semiconductor lasers during pulse lasing2015
Author(s)
Shao-Qian Chen, Takashi Ito, Akifumi Asahara, Hidekazu Nakamae, Takahiro Nakamura, Masahiro Yoshita, Changsu Kim, Baoping Zhang, Hiroyuki Yokoyama, Tohru Suemoto, and Hidefumi Akiyama
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Journal Title
Applied Optics
Volume: 54
Pages: 10438-10442
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] Calibration standards and measurement accuracy of absolute electroluminescence and internal properties in multi-junction and arrayed solar cells2016
Author(s)
Masahiro Yoshita, Lin Zhu, Changsu Kim, Toshimitsu Mochizuki, Tetsuya Nakamura, Mitsuru Imaizumi, Shaoqiang Chen, Hidehiro Kubota, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
Organizer
SPIE Photonics West 2016
Place of Presentation
The Moscone Center, San Francisco, CA, USA
Year and Date
2016-02-13 – 2016-02-18
Int'l Joint Research
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[Presentation] Absolute Electroluminescence Imaging of Multi-Junction Solar Cells and Calibration Standards2015
Author(s)
Masahiro Yoshita, Lin Zhu, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, Shaoqiang Chen, Toshimitsu Mochizuki, Hidehiro Kubota, Tetsuya Nakamura, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu
Organizer
The 42nd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-42)
Place of Presentation
the Hyatt Regency New Orleans, New Orleans, LA, USA
Year and Date
2015-06-14 – 2015-06-19
Int'l Joint Research
