[論文レビュー] Control and generation of localized pulses in passively mode-locked semiconductor lasers

M. Marconi, J. Javaloyes+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、共振吸収ミラー（RSAM）を用いた被動的モードロックによる幅広いVCSELで、局在的かつ相互に独立したピコ秒パルスが実験的および理論的に生成・制御可能であることを示している。バイアス電流を変調することにより、1〜4パルスまでのパルス数を正確に制御可能であり、10 psパルスに対して1 Wのピークパワーを持つ任意のパターン生成装置としての応用が可能である。

ABSTRACT

We show experimentally and theoretically that localized pulses can be generated from an electrically biased $200\,μ$m multi-transverse mode Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser. The device is passively mode-locked using optical feedback from a distant Resonant Saturable Absorber Mirror and it is operated below threshold. We observe multistability between the off solution and a large variety of pulsating solutions with different number and arrangements of pulses per round-trip, thus indicating that the mode-locked pulses are localized, i.e. mutually independent. We show that a modulation of the bias current allows controlling the number of the pulses travelling within the cavity, thus suggesting that our system can be operated as an arbitrary pattern generator of 10 ps pulses and 1 W peak power.

研究の動機と目的

• 閾値未満の条件下で、被動的モードロックされた半導体レーザー内に局在パルスが形成され、制御可能であるかを調査すること。
• 多安定性が光バッファリングおよび信号生成のための独立したパルスアドレス指定を可能にする役割を明らかにすること。
• バイアス電流の変調がキャビティ内でのパルス数および配置を制御可能であることを実証すること。
• 小型で電気駆動可能なVCSELにRSAMフィードバックを組み合わせ、低繰り返し周波数・高ピークパワーの超短パルス源を構築すること。
• 本システムが、LIDAR、分光法、光通信などの分野における光的任意パターンジェネレータとしての実用可能性を検証すること。

提案手法

• 実験では、200 µmの幅広いVCSELを用い、閾値未満で動作させ、980 nmの共振吸収ミラー（RSAM）（4×4 mm²のアパーチャー）に電気的にバイアスし、結合させた。
• RSAMからの光フィードバックにより被動的モードロックが誘発され、増幅と飽和のダイナミクスによって超短パルスが形成される。
• バイアス電流を変調することで、有効な増幅率を制御し、1ラウンドトリップあたりの局在パルス数を、異なる数に選択的に励起・安定化可能となる。
• バイアス電流の変調振幅およびキャビティラウンドトリップ時間に対する変調のデチューニングを変化させることで、数値的分岐図を構築した。
• 増幅、飽和、およびキャビティラウンドトリップ時間の相互作用を捉えるGinzburg-Landau型モデルを用いてシステムを解析した。
• 実験結果とシミュレーションを比較することで、多安定な局在構造の存在およびその変調パラメータへの感受性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RSAMフィードバックを有する被動的モードロックVCSELで、閾値未満の条件下に局在パルスが形成され、安定化可能か？
• RQ2 バイアス電流の変調が、キャビティ内での局在パルスの数および配置をどのように制御するか？
• RQ3 変調周期とキャビティラウンドトリップ時間の間のデチューニングが、パルス数の安定性に果たす役割は何か？
• RQ4 システムはどの程度多安定性を示し、個々のパルスを独立してアドレス指定可能か？
• RQ5 このシステムは、超短光パルスの任意パターンジェネレータとして機能可能か？

主な発見

• VCSEL-RSAMシステムでは、閾値未満で局在パルスが形成され、オフ状態と1〜4パルス/ラウンドトリップのさまざまなパルス配置との間で多安定性を示す。
• 強い多安定性を示し、バイアス電流の変調によりパルス数を制御可能であり、異なるパルスパターンを選択的に励起可能である。
• キャビティ内に最大4つの局在パルスを維持可能であり、これはデチューニングΔτ = 0.23で達成され、増幅回復効果を含む有効なキャビティラウンドトリップ時間に対応する。
• 共鳴舌の幅は約0.5（正規化時間）であり、パルス幅が約10 ps、フィルタ帯域幅が約40 kHzと整合的である。
• 1つの局在パルスを維持するために必要な最小電流は、g_sn ≈ 0.94g_thと特定され、閾値増幅率に近く、安定である。
• 本システムは、65.5 MHzという記録的な低繰り返し周波数、10 psパルス、1 Wピークパワーを達成し、任意のパターンジェネレータとしての実用性を示した。