二色半導体レーザーに関する最新の研究

二色半導体レーザーに関する最新の研究

半導体ディスクレーザー（SDLレーザー）は、垂直外部共振器面発光レーザー（VECSEL）とも呼ばれ、近年大きな注目を集めています。半導体利得と固体共振器の利点を兼ね備えており、従来の半導体レーザーのシングルモードサポートにおける発光面積の制限を効果的に緩和するだけでなく、柔軟な半導体バンドギャップ設計と高い材料利得特性も備えています。低ノイズなど、幅広い応用シナリオで活用されています。狭線幅レーザー二波長コヒーレント光源は、高出力、超短高繰り返しパルス発生、高次高調波発生、ナトリウムガイドスター技術など、様々な分野で利用されています。技術の進歩に伴い、波長柔軟性に対する要求も高まっています。例えば、二波長コヒーレント光源は、耐干渉ライダー、ホログラフィック干渉計、波長分割多重通信、中赤外線またはテラヘルツ発生、多色光周波数コムなどの新興分野において、極めて高い応用価値を示しています。半導体ディスクレーザーにおいて高輝度二波長発光を実現し、多波長間の利得競合を効果的に抑制する方法は、この分野における長年の研究課題でした。

最近、デュアルカラー半導体レーザー中国のチームは、この課題に対処する革新的なチップ設計を提案しました。綿密な数値解析により、量子井戸利得フィルタリングと半導体微小共振器フィルタリングの温度依存性を正確に制御することで、二色利得を柔軟に制御できることが分かりました。これに基づき、チームは960/1000nmの高輝度利得チップの設計に成功しました。このレーザーは回折限界近傍の基本モードで動作し、出力輝度は約310MW/cm²srに達します。

半導体ディスクの利得層の厚さはわずか数マイクロメートルで、半導体と空気の界面と底部の分布ブラッグ反射器の間にファブリペロー微小共振器が形成されています。半導体微小共振器をチップの内蔵スペクトルフィルタとして扱うことで、量子井戸の利得を変調することができます。同時に、微小共振器のフィルタリング効果と半導体利得には温度ドリフト率が異なります。温度制御と組み合わせることで、出力波長のスイッチングと調整が可能です。これらの特性に基づき、研究チームは量子井戸の利得ピークを300 Kの温度で950 nmに設定し、利得波長の温度ドリフト率を約0.37 nm/Kとしました。その後、研究チームは透過行列法を用いてチップの縦方向制約係数を設計し、ピーク波長はそれぞれ約960 nmと1000 nmとなりました。シミュレーションの結果、温度ドリフト率はわずか0.08 nm/Kであることが明らかになりました。エピタキシャル成長に有機金属化学気相成長法（MOCVD）を用い、成長プロセスを継続的に最適化することで、高品質のゲインチップの製造に成功しました。発光測定結果はシミュレーション結果と完全に一致しています。熱負荷を軽減し、高出力伝送を実現するために、半導体ダイヤモンドチップパッケージングプロセスをさらに開発しました。

チップのパッケージングが完了した後、チームはレーザー性能の総合的な評価を実施しました。連続動作モードでは、ポンプパワーまたはヒートシンク温度を制御することで、発光波長を960nmから1000nmの間で柔軟に調整できます。ポンプパワーが特定の範囲内にある場合、レーザーは最大39.4nmの波長間隔で二波長動作も実現できます。このとき、最大連続波出力は3.8Wに達します。一方、レーザーは回折限界に近い基本モードで動作し、ビーム品質係数M²はわずか1.1で、輝度は約310MW/cm²srに達します。チームはまた、準連続波性能に関する研究も実施しました。レーザLiB₃O₅非線形光学結晶を共振空洞内に挿入することで和周波信号の観測に成功し、2波長の同期を確認しました。

この独創的なチップ設計により、量子井戸利得フィルタリングと微小共振器フィルタリングの有機的な組み合わせが実現され、デュアルカラーレーザー光源の実現に向けた設計基盤が築かれました。 性能指標の面では、このシングルチップデュアルカラーレーザーは、高輝度、高柔軟性、高精度の同軸ビーム出力を実現しています。その輝度は、現在のシングルチップデュアルカラー半導体レーザーの分野で国際的にトップレベルにあります。 実用面では、この成果は、高輝度とデュアルカラーの特性を活用することで、複雑な環境におけるマルチカラーライダーの検出精度と耐干渉能力を効果的に向上させることが期待されます。 光周波数コムの分野では、安定したデュアル波長出力により、高精度なスペクトル測定や高解像度の光センシングなどのアプリケーションに重要なサポートを提供できます。