テラヘルツ波発生に用いるレーザーカオス光のモードの同時性

• Project/Area Number: 20K04629
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Fukui University of Technology
• Principal Investigator: 桑島 史欣 福井工業大学, 工学部, 准教授 (30342554)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷 正彦 福井大学, 遠赤外領域開発研究センター, 教授 (00346181) ; 原口 雅宣 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (20198906)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: レーザーカオス / THz波 / プラズモンアンテナ / 非線形 / カオス超越性 / プラズモン光伝導アンテナ / 同時性 / THｚ波 / モードホップ / ダウンコンバート

Outline of Research at the Start

レーザーカオス光において，縦モードが同時に発生しているかを調査するために，連続波THz発生に用いるレーザーカオス光の縦モード間の光ビート（44GHz程度の整数倍）を他の逓倍器によるTHz波源とをプラズモン光伝導アンテナ中で混合することにより，1GHz程度の信号に下方変換する。この１GHｚ程度の信号を観測することで，光ビートが安定に発生しているか，すなわち縦モードが同時に発生しているかが明確ととなる。さらに，現在入手が困難な光伝導アンテナ特に，プラズモン光伝導アンテナも試作し，信号検出の高感度化をめざす。

Outline of Annual Research Achievements

カリフォルニア大学の装置を用い、レーザーカオス光を用いた場合のレーザーの光スペクトルとダウンコンバートする系によるRFスペクトルの相関を求めた。ダウンコンバートする系は、逓倍気による９０GHｚ付近の信号（変更可能）と、レーザーの縦モード間（45GHz程度、今回はさらに隣の90GHz程度を用いた）の光ビートの差周波を1GHz程度に調整し。プラズモン光伝導アンテナ中で、混合することでRF信号にダウンコンバートし、観測した。その結果、掃引に数秒かかる光スペクトルの状況と、RF信号の状況が矛盾なく一致することが明らかとなった。すなわち、モードが時定数0.1msのオーダーまでカオス光では、同時に発振していることを明らかにした。一方通常の連続波半導体レーザーでは、間欠的なモードホップによりモード間の状態が安定せず、光ビートが不安定になることを明確にした。
光スペクトルアナライザーの分解能は、5GHz程度であり、縦モード間隔には5GHz程度の誤差を含む。ダウンコンバートする系では、RFスペクトルアナライザーの分機能で分解能が決まるため、10MHz程度の分解能が容易に得られる、そのため、将来の高分解能受信機の基礎研究ともなっている。
また福井工大に同様の系を構築するための部品の購入は終えた。今年度この装置を構築する。
プラズモンアンテナも、櫛の部分、ボータイの部分などの、各パーツの試作は行った。また各部分における露光条件や、アニール条件、現像の条件などの最適条件出しも途中まで行った。今後さらに最適条件出しを行う。その後、全体のアンテナの試作機の構築を行う。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

コロナのため。
また、購入部品の高騰のため、購入に時間がかかったため。

Strategy for Future Research Activity

福井工大にダウンコンバートする系を構築する。その後、閾値付近までカオス光の状況を低下させ、安定性を見ることで、カオス超越性の実証を行う。
また、数値計算も行い最適条件を見出す。
プラズモンアンテナについても試作機を製造する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学(米国)
• [Int'l Joint Research] UCLA(米国)
• [Journal Article] Evaluation of High-Stability Optical Beats in Laser Chaos by Plasmonic Photomixing (2020)
  • Author(s): F. Kuwashima, M. Jarrahi, S. Cakmakyapan, T. Shirao, K. Iwao, K. Kurihara, O. Morikawa, H. Kitahara, T. Furuya, K. Wada, M. Nakajima, M. Tani
  • Journal Title: Optics Express Volume: 28 Pages: 24833-24844
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] レーザーカオスにおける多モード間の同時性 (2020)
  • Author(s): 桒島史欣
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 48 Pages: 224-227
  • Peer Reviewed
• [Presentation] レーザーカオスによる新機能創生-高安定高効率なテラヘルツ波発生- (2023)
  • Author(s): 桒島 史欣、Mona Jarrahi、Semih Cakmakyapan、森川 治、白尾 拓也、岩尾 憲幸、栗原 一嘉、北原 英明、古屋 岳, 和田 健司、中嶋 誠、谷 正彦
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
  • Invited
• [Presentation] カオス超越性とオフシェル科学の夜明けー THz 波で見るカオスによる機能創生ー (2023)
  • Author(s): 桒島 史欣、Mona Jarrahi、Semih Cakmakyapan、森川 治、白尾 拓也、岩尾 憲幸、栗原 一嘉、北原 英明、古屋 岳, 和田 健司、中嶋 誠、谷 正彦
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 戻り光多モード半導体レーザーのカオス発振特性と THz時間領域分光への応用 (2023)
  • Author(s): 和田 健司、北川 宙拓、松山 哲也、岡本 晃一、桒島 史欣
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 局在プラズモンアシストTHz用光伝導アンテナの開発 (2023)
  • Author(s): 原口 雅宣、和泉 建哉、岡本 敏弘、山口 堅三、桒島 史欣、谷 正彦
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] レーザーカオス光励起したスピントロニック素子を適用した MLD-TDS の構築 (2023)
  • Author(s): 守安 毅、上遠野 修大、北原 英明、谷 正彦、桒島 史欣、熊倉 光孝
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 拡張型カオス尺度を用いたレーザーカオスのシミュレーションデータにおけるカオスの定量化 (2023)
  • Author(s): 井上 啓、和田 健司、桒島 史欣、梅野 健
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] High Stability of Optical Beats in Laser Chaos (2022)
  • Author(s): Fumiyoshi Kuwashima, Mona Jarrahi, Semih Cakmakyapan,, Osamu Morikawa, Takuya Shirao, Kazuyuki Iwao, Kazuyoshi Kurihara, Hideaki Kitahara, Takeshi Furuya, Kemji Wada, Makoto Nakajima,AND Masahiko Tani
  • Organizer: 2022 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable optical beats in laser chaos for THz wave (2022)
  • Author(s): Fumiyoshi Kuwashima, Mona Jarrahi, Semih Cakmakyapan,, Osamu Morikawa, Takuya Shirao, Kazuyuki Iwao, Kazuyoshi Kurihara, Hideaki Kitahara, Takeshi Furuya, Kemji Wada, Makoto Nakajima,AND Masahiko Tani,
  • Organizer: Comference of Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimal optical feedback conditions for a multimode laser diode with delayed optical feedback in THz time-domain spectroscop (2022)
  • Author(s): Tokihiro Kitagawa, Tetsuya Matsuyama, Kenji Wada, Fumiyoshi Kuwashima2, Koichi Okamoto
  • Organizer: Comference of Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザーカオスを用いた桜島・新燃岳・支笏カルデラ火山灰の THz 分光 (2022)
  • Author(s): 川上由紀，桒島史欣
  • Organizer: 日本光学会
  • Invited
• [Presentation] スピントロニック素子を適用したMLD-TDS 開発に向けたレーザーカオス光発生 (2022)
  • Author(s): 守安毅，上遠野修大，北原英明，谷正彦，桒島史欣，熊倉光孝
  • Organizer: 日本光学会
  • Invited
• [Presentation] レーザーカオスによる機能創造～モードの同時性～ (2022)
  • Author(s): 桒島史欣 , Mona Jarrahi, Semih Cakmakyapan, 白尾 拓也, 岩尾 憲幸, 栗原 一嘉, 森川 治, 北原 英明, 和田健司，中嶋 誠, 谷正彦
  • Organizer: 日本光学会
  • Invited
• [Presentation] カオスによる新機能創生～レーザーカオスによるTHｚ波の安定化～ (2022)
  • Author(s): 桒島 史欣、Mona Jarrahi、Semih Cakmakyapan、森川 治、白尾 拓也、岩尾 憲幸、栗原 一嘉、北原 英明、和田 健司、中嶋 誠、谷 正彦
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第42回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 戻り光多モード半導体レーザーにおけるカオス発振の解析－高効率THz波発生への利用－ (2022)
  • Author(s): 和田 健司、北川 宙拓、松山 哲也、岡本 晃一、桒島 史欣
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第42回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Stability of optical beats between longitudinal modes near the threshold level in laser chaos (2021)
  • Author(s): F. Kuwashima, M. Jarrahi, S. Cakmakyapan, O. Morikawa, T. Shirao, K. Iwao, K. Kurihara, H. Kitahara, T. Furuya, K. Wada, M. Nakajima, and M. Tani
  • Organizer: International Symposium on Physics and Applications of Laser Dynamics 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability Of Optical Beats In Laser Chaos For THz Wave Generation And Detection (2021)
  • Author(s): Kuwashima Fumiyoshi, Jarrahi Mona, Cakmakyapan Semih, Morikawa Osamu, Shirao Takuya, Iwao Kazuyuki, Kurihara Kazuyoshi, Kitahara Hideaki, Furuya Takeshi, Wada Kenji, Nakajima Makoto, Tani Masahiko
  • Organizer: the 2021 46th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability of optical beats between longitudinal modes in laser chaos (2021)
  • Author(s): Fumiyoshi Kuwashima , Mona Jarrahi , Semih Cakmakyapan , Osamu Morikawa TAKUYA SHIRAO, KAZUYUKI IWAO, KAZUYOSHI KURIHARA, HIDEAKI KITAHARA, TAKASHI FURUYA, KENJI WADA, MAKOTO NAKAJIMA, AND MASAHIKO TANI
  • Organizer: (The 10th Advanced Lasers and Photon Sources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability of CW-THz wave using laser chaos (2021)
  • Author(s): Fumiyoshi Kuwashima, Mona Jarrahi, Semih Cakmakyapan, Osamu Morikawa, Takuya Shirao, Kazuyuki Iwao, Kazuyoshi Kurihara, Hideaki Kitahara, Takashi Furuya, Kenji Wada, Makoto Nakajima, and Masahiko Tani
  • Organizer: SPIE, Photonics West
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability of THz Wave Using Laser Chaos (2020)
  • Author(s): Fumiyoshi Kuwashima, Takuya Shirao, Kazuyuki Iwao, Masahiko Tani, Kazuyoshi Kurihara, Osamu Morikawa, Hideaki Kitahar, Makoto Nakajima
  • Organizer: The 2020 International Symposium on Nonlinear Theory and Its Applications (NOLTA2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stable THz waves generation using laser chaos (2020)
  • Author(s): F. Kuwashima , T. Shirao , K. Iwao, M. Tani , K. Kurihara , K. Yamamoto , O. Morikawa , H. Kitahara , M. Nakajima
  • Organizer: The 9th Advanced Lasers and Photon Sources
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low cost and stable THz-TDS system using laser chaos (2020)
  • Author(s): Fumiyoshi Kuwashima, Takuya Shirao, Kazuyuki Iwao, Masahiko Tani, Kazuyoshi Kurihara, Kohji Yamamoto, Osamu Morikawa, Hideaki Kitahara, and Makoto Nakajima
  • Organizer: the 2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz 2020)
  • Int'l Joint Research