Study on optical short-pulse generation from intensely excited gain-switched semiconductor lasers

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26390075
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 吉田 正裕 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 太陽光発電研究センター, 主任研究員 (30292759)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 半導体レーザー / 利得スイッチング動作 / 超短パルス / 光エレクトロニクス / 光学非線形効果 / 光源技術

Outline of Annual Research Achievements

半導体レーザーの強励起利得スイッチング動作による短パルス発生について、光励起型や電流注入型半導体レーザーによる系統的な実験とそのメカニズムに関する考察を昨年度に引き続き実施した。強励起下で、短波長側にスペクトル広がり持つ光パルスが発生し、その短波長成分のパルス幅が1 psを切る特異なレーザー発振が起きることを確認した。パルス幅がレーザー共振器寿命より短いなど通常の利得スイッチング動作理論では説明できないレーザー発振である。このような光パルス発生メカニズムとして、強励起により広帯域にエネルギー分布した高密度キャリアによる大きな初期光学利得形成と、それに続く光パルス形成による利得の消費とキャリア間散乱による熱化過程を考慮したバンド内キャリアダイナミクスモデルを考え、光パルス発生の数値計算シミュレーションを行った。実験で観測された光パルスダイナミクスの励起強度依存性をよく説明する結果が得られた。
本研究を通して、半導体レーザーを強励起利得スイッチング動作することで、パルス幅が1 ps以下となる光パルス発生を実現可能であることがわかった。現象論的なキャリアダイナミクスモデルにより観測された短パルス発生を考察してきたが、その詳細な物理メカニズムの解明に向けては今後更なる学術的研究が必要である。応用展開として、電流注入型半導体レーザーへの強励起利得スイッチング動作による短パルス発生は非常に有望な技術であると考えられる。その実現に向けては、強励起電流注入のための低コストパルスジェネレーターの試作・開発も今後合わせて進めて行く必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Solar-cell radiance standard for absolute electroluminescence measurements and open-circuit voltage mapping of silicon solar modules (2016)
  • Author(s): Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Masahiro Yoshita, Jonathon Mitchell, Zhu Lin, Shaoqiang Chen, Hidetaka Takato, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 119 Pages: 034501
  • DOI: 10.1063/1.4940159
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Conversion efficiency limits and bandgap designs for multi-junction solar cells with internal radiative efficiencies below unity (2016)
  • Author(s): Lin Zhu, Toshimitsu Mochizuki, Masahiro Yoshita, Shaoqiang Chen, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, and Yoshihiko Kanemitsu
  • Journal Title: Optics Express Volume: 24 Pages: A740-A751
  • DOI: 10.1364/OE.24.00A740
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Characterizations of Radiation Damage in Multijunction Solar Cells Focused on Subcell Internal Luminescence Quantum Yields via Absolute Electroluminescence Measurements (2016)
  • Author(s): Lin Zhu, Masahiro Yoshita, Shaoqiang Chen, Tetsuya Nakamura, Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
  • Journal Title: J. Photovoltaics Volume: 6 Pages: 777-782
  • DOI: 10.1109/JPHOTOV.2016.2540247
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 利得スイッチ半導体レーザーの短パルス発生限界 (2017)
  • Author(s): 伊藤隆, 中前秀一, 挾間優治, 中村考宏, 金昌秀, 小林洋平, 吉田正裕, 秋山英文
  • Organizer: レーザー学会
  • Place of Presentation: 徳島大学常三島キャンパス（徳島市）
  • Year and Date: 2017-01-07 – 2017-01-09
  • Invited
• [Presentation] Accuracy Evaluations for Standardization of Multi-Junction Solar-Cell Characterizations via Absolute Electroluminescence (2016)
  • Author(s): Masahiro Yoshita, Lin Zhu, Changsu Kim, Hidehiro Kubota, Tetsuya Nakamura, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
  • Organizer: The 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-43)
  • Place of Presentation: the Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • Year and Date: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current leakage and fill factor in multi-junction solar cells linked via absolute electroluminescence characterization (2016)
  • Author(s): Lin Zhu, Masahiro Yoshita, Tetsuya Nakamura, Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu, Hidefumi Akiyama
  • Organizer: The 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-43)
  • Place of Presentation: the Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • Year and Date: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Diagnosis of GaInAs multiple-quantum-well solar cells with Bragg reflectors via absolute electroluminescence (2016)
  • Author(s): Lin Zhu, Masahiro Yoshita, JiaLing Tsai, YiChin Wang, Changsu Kim, Peichen Yu, Hidefumi Akiyama
  • Organizer: The 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-43)
  • Place of Presentation: the Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • Year and Date: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • Int'l Joint Research