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）、別名垂直外部共振器面発光レーザー（VECSEL）は、近年大きな注目を集めている。半導体利得と固体共振器の利点を組み合わせたもので、従来の半導体レーザーの単一モードサポートによる発光面積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る。低ノイズレーザーなど、幅広い応用シナリオでその可能性が認められている。狭線幅レーザー出力、超短高繰り返しパルス生成、高次高調波発生、ナトリウムガイドスター技術など。技術の進歩に伴い、波長の柔軟性に対する要求が高まっています。例えば、デュアル波長コヒーレント光源は、干渉防止ライダー、ホログラフィック干渉法、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で非常に高い応用価値を示しています。半導体ディスクレーザーで高輝度デュアルカラー発光を実現し、複数の波長間の利得競合を効果的に抑制する方法は、この分野における研究上の難題となっています。

最近、2色半導体レーザー中国の研究チームは、この課題に対処するため、革新的なチップ設計を提案した。詳細な数値解析の結果、温度に関連する量子井戸利得フィルタリングと半導体マイクロキャビティフィルタリングの効果を精密に制御することで、デュアルカラー利得の柔軟な制御が可能になることが分かった。この知見に基づき、チームは960/1000 nmの高輝度利得チップの設計に成功した。このレーザーは回折限界に近い基本モードで動作し、出力輝度は約310 MW/cm²srに達する。

半導体ディスクの利得層はわずか数マイクロメートルの厚さで、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・ペローマイクロキャビティが形成されます。半導体マイクロキャビティをチップの内蔵スペクトルフィルタとして扱うことで、量子井戸の利得が変調されます。同時に、マイクロキャビティのフィルタリング効果と半導体の利得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、出力波長の切り替えと調整が可能になります。これらの特性に基づいて、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は約0.37 nm/Kであると計算しました。続いて、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、ピーク波長をそれぞれ約960 nmと1000 nmとしました。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。有機金属化学気相成長法を用いたエピタキシャル成長と、成長プロセスの継続的な最適化により、高品質の利得チップの作製に成功した。フォトルミネッセンスの測定結果は、シミュレーション結果と完全に一致した。熱負荷を軽減し、高出力伝送を実現するため、半導体・ダイヤモンドチップのパッケージングプロセスをさらに改良した。

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包括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960 nmから1000 nm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39.4 nm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3.8 Wに達します。同時に、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、輝度は約310 MW/cm²srと非常に高くなっています。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器に挿入することで和周波信号が正常に観測され、2つの波長の同期が確認された。

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マイクロキャビティフィルタリングの有機的な組み合わせが実現され、二色レーザー光源の実現に向けた設計基盤が構築されました。性能指標の面では、このシングルチップ二色レーザーは、高輝度、高柔軟性、高精度な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二色半導体レーザー分野において国際的にトップレベルです。実用面では、この成果は、高輝度と二色特性を活用することで、複雑な環境下における多色ライダーの検出精度と耐干渉性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、その安定した二波長出力は、高精度スペクトル測定や高解像度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します。