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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26390075
• 研究機関: 国立研究開発法人産業技術総合研究所
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

研究成果

• [雑誌論文] Solar-cell radiance standard for absolute electroluminescence measurements and open-circuit voltage mapping of silicon solar modules (2016)
  • 著者名/発表者名: Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Masahiro Yoshita, Jonathon Mitchell, Zhu Lin, Shaoqiang Chen, Hidetaka Takato, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 119 ページ: 034501
  • DOI: 10.1063/1.4940159
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Conversion efficiency limits and bandgap designs for multi-junction solar cells with internal radiative efficiencies below unity (2016)
  • 著者名/発表者名: Lin Zhu, Toshimitsu Mochizuki, Masahiro Yoshita, Shaoqiang Chen, Changsu Kim, Hidefumi Akiyama, and Yoshihiko Kanemitsu
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 24 ページ: A740-A751
  • DOI: 10.1364/OE.24.00A740
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Characterizations of Radiation Damage in Multijunction Solar Cells Focused on Subcell Internal Luminescence Quantum Yields via Absolute Electroluminescence Measurements (2016)
  • 著者名/発表者名: Lin Zhu, Masahiro Yoshita, Shaoqiang Chen, Tetsuya Nakamura, Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
  • 雑誌名: J. Photovoltaics 巻: 6 ページ: 777-782
  • DOI: 10.1109/JPHOTOV.2016.2540247
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 利得スイッチ半導体レーザーの短パルス発生限界 (2017)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: レーザー学会
  • 発表場所: 徳島大学常三島キャンパス（徳島市）
  • 年月日: 2017-01-07 – 2017-01-09
  • 招待講演
• [学会発表] Accuracy Evaluations for Standardization of Multi-Junction Solar-Cell Characterizations via Absolute Electroluminescence (2016)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yoshita, Lin Zhu, Changsu Kim, Hidehiro Kubota, Tetsuya Nakamura, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu, and Hidefumi Akiyama
  • 学会等名: The 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-43)
  • 発表場所: the Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • 年月日: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • 国際学会
• [学会発表] Current leakage and fill factor in multi-junction solar cells linked via absolute electroluminescence characterization (2016)
  • 著者名/発表者名: Lin Zhu, Masahiro Yoshita, Tetsuya Nakamura, Toshimitsu Mochizuki, Changsu Kim, Mitsuru Imaizumi, Yoshihiko Kanemitsu, Hidefumi Akiyama
  • 学会等名: The 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-43)
  • 発表場所: the Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • 年月日: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • 国際学会
• [学会発表] Diagnosis of GaInAs multiple-quantum-well solar cells with Bragg reflectors via absolute electroluminescence (2016)
  • 著者名/発表者名: Lin Zhu, Masahiro Yoshita, JiaLing Tsai, YiChin Wang, Changsu Kim, Peichen Yu, Hidefumi Akiyama
  • 学会等名: The 43rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC-43)
  • 発表場所: the Oregon Convention Center, Portland, Oregon, USA
  • 年月日: 2016-06-05 – 2016-06-10
  • 国際学会