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ファブリ・ペローエタロンを用いた
リング型外部共振器付半導体レーザーの
発振周波数制御
東大物性研、科技団 CREST、アルネアラボラトリA
木下基、秋山英文、田中佑一A
発表内容
1. 背景・目的
2. 原理
外部共振器型半導体レーザー
エタロンフィルタ
3. エタロンフィルタによる発振周波数制御実験
4. 実験結果の解析
5. まとめ・今後の展望
背景
光通信
WDM (Wavelength Division Multiplexing)
１本の光ファイバに波長の異なる複数の
光信号を多重化し同時に伝送する方法
大容量伝送を実現
半導体レーザー
半導体レーザー
l2
半導体レーザー
l3
半導体レーザーの広帯域変調
は困難なため１つの波長に対し
て１つの光源が必要
…
現状では・・・
半導体レーザー
ln
合
波
器
～
～
0.8nm(=100GHz)間隔
の複数のチャンネル
l1
目的
半導体レーザーの新しい発振周波数制御法の開発
100 GHz間隔で可変の発振周波数チャンネル
(= 0.4 meV)
発振スペクトルのイメージ
100 GHz
100 GHz
Intensity (a.u.)
100 GHz
・・・
0
detuning (GHz)
100
detuning (GHz)
200
detuning (GHz)
300
detuning (GHz)
Sampled Grating DBR laserによる広帯域変調
Sampled
Grating 1
Sampled
Grating 2
Phase
Gain
1.2
1
1.2
1
1
R1
T4  
0.5
T43  
R2
0.5
T2  
0.5
0
 0.1
193.6
0
193.5
 0.1
193.6
193.5
193.8
194

194.2
194.4
194.5
193.8
194

194.2
Beat
194.4
0
194.5
193.6
193.8
194
194.2
194.4

コンパクトである反面、動作が複雑であることや
高度な結晶成長技術が必要であるという短所もある。
本実験では
制御性や拡張性の良さ、温度安定性などを見込んで、
外部共振器付半導体レーザーとエタロンフィルタを用いた。
外部共振器型半導体レーザー
通常は・・・
外部共振器型は・・・
反射防止
膜
結晶へき開面が反射鏡として働き、
ファブリペロー共振器を構成している。
結晶へき開面に
反射防止加工(AR coating)を施し、
その外部に共振器を作成する。
注入電流によって周波数と強度
が同時に変調されてしまう。
狭帯域。
外部に作成した共振器によって
周波数だけを広帯域にわたって
制御可能。
直線型外部共振器
laser diode
lens
mirror
LD
AR coating
etalon
長所
効率が良い
扱い易い
短所（本実験における）
戻り光に弱い
光が往復している
リング型外部共振器
etalon
optical isolator
LD
長所
空間的ホールバーニング
がない
戻り光を防ぐことができる
光は一方通行
エタロンフィルタ
透過率
T 

1 
1  R 
2
A  R
 4 R sin
2
 2  nL 

cos   

c


光速 c
周波数 
共振周波数間隔(Free Spectral Range)
FSR 
L


c
2 nL cos  
鋭さ(finesse)
f 
反射率 R
損失 A
2
sin   n sin  
FSR
屈折率 n
FWHM
透過率
1
エタロンフィルタの透過率
1
FSR
FWHM
0.5
T 1(  )
0
0
193
周波数 

194
1
個々のエタロン板の透過率
わずかにFSRの異なる
２枚のエタロン板
透過率
1
T 1(  )
T 2(  )
0
0
1
193
周波数

194

194

194

194
２つのエタロン板のビート透過率
透過率
1
T(  )
片方の
エタロン板
を回転
0
0
1
193
周波数
個々のエタロン板の透過率
透過率
1
T 1(  )
T 2(  )
0
0
1
193
周波数
２つのエタロン板のビート透過率
透過率
1
T(  )
0
0
193
周波数
エタロンフィルタの透過スペクトル
FSR=95 GHz, finesse=5.1
0.1
透過率
透過率
1
FSR=100 GHz, finesse=36
195.8
196
196.2
196.4
周波数(THz)
0
196.6
195.8
196
196.2
196.4
周波数(THz)
196.6
２枚のビート
0.1
透過率
0
0
分解能：6.4 GHz
195.8
196
196.2
196.4
周波数(THz)
196.6
実験
etalon
angle
6~6.5 deg
0 deg
FSR
95.0GHz
100GHz
Finesse
5.1
36

l/2 plate
optical isolator
mirror
polarizing beam splitter
(PBS)
lens
LD
laser diode
linewidth
50 kHz
spectrum
analyzer
結果
エタロンの角度による発振スペクトルの変化
16 ch
intensity (a.u.)
100GHz
 (deg)
6.1
6.2
6.3
6.4
195
195.5
196
196.5
frequency (THz)
197
6.5
197.5
解析
エタロン板の角度によるピーク位置のズレを計算
透過率
1
1
100GHz
T43 
0.5

D
0
0
195
透過率
1
周波数

197.5
1
100GHz
T43 
0.5
0

0
195
周波数

197.5
エタロンの角度による発振周波数シフトの解析
197.5
発振周波数 (THz)
197
196.5
実験値
計算値
196
195.5
195
5.9
6.0
6.1
6.2
6.3
エタロンの角度 (deg)
6.4
6.5
まとめ
２枚のFSRの異なるファブリ・ペローエタロンを用いてリ
ング型外部共振器付半導体レーザーの発振周波数を
1ch(100 GHz)ずつシフトさせることが出来た。
２枚のエタロンの透過率を計算することによって得られ
た発振周波数のエタロン板の角度に対する依存性は
実験結果と良く一致した。
今後の展望
片方のエタロンを導波路構造を有する半導体素子を用
いて作成し、屈折率をキャリア濃度によって制御するこ
とでFSRを変調する。
これによって、高速での変調が可能になる。
変調可能な周波数チャンネル数を増やす。
（30～40chくらいが目標）
外部共振器の縦モードを制御する。