Journal Club 2023年度 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

年度別（4月－12月）

2023年度

発表内容:

The transition to chaos is ubiquitous in nonlinear systems ranging from fluid dynamics and superconducting circuits to biological organisms. Optical systems driven out of equilibrium such as lasers and supercontinuum generation exhibit chaotic states of light with fluctuations in both amplitude and phase and can give rise to Levy statistics, turbulence and rogue waves. Spatiotemporal chaos also occurs in continuous-wave-driven photonic-chip-based Kerr microresonators, where it is referred to as chaotic modulation instability. Such modulation instability states have generally been considered impractical for applications, in contrast to their coherent-light-state counterparts, which include soliton or dark-pulse states. Here we demonstrate that incoherent and chaotic states of light in an optical microresonator can be harnessed to implement unambiguous and interference-immune massively parallel coherent laser ranging by using the intrinsic random amplitude and phase modulation of the chaotic comb lines. We utilize 40 distinct lines of a microresonator frequency comb operated in the modulation instability regime. Each line carries >1 GHz noise bandwidth, which greatly surpasses the cavity linewidth, and enables to retrieve the distance of objects with centimetre-scale resolution. Our approach utilizes one of the most widely accessible microcomb states, and offers—in contrast to dissipative Kerr soliton states—high conversion efficiency, as well as flat optical spectra, and alleviates the need for complex laser initiation routines. Moreover the approach generates wideband signal modulation without requiring any electro-optical modulator or microwave synthesizer. Viewed more broadly, similar optical systems capable of chaotic dynamics could be applied to random-modulation optical ranging as well as spread-spectrum communication, optical cryptography and random number generation.

発表内容:

Recent developments in topological photonics have fostered the vision of backscattering-protected waveguides made from topological interface modes, but surprisingly measurements of their propagation losses were so far missing. This work reports on measurements of losses in the slow-light regime of valley-Hall topological waveguides and find no indications of topological protection against backscattering on ubiquitous structural defects. They find that the propagation losses are due to Anderson localization caused by disorders in photonic crystal, even with some of the lowest levels of disorder realized in silicon photonics so far, which raises fundamental questions about the real-world value of topological protection in reciprocal photonics. They hope that this work will motivate further research to consider robustness against a real-world disorder.

発表内容:

散逸性Kerrソリトン(DKS)はレーザがレッドデチューンの場合に発生することができ，コム線のパワーはデチューニングが大きいほど高い．しかし，レーザのデチューニングが大きいと共振器への結合が弱くなるため，CWポンプからコムへの変換効率が減少してしまう．チューリングロールやソリトンクリスタル，ダークパルスなどDKS以外のマイクロコム状態はDKSと比べて高い変換効率を持つが，コム線の数や帯域幅に制限がある．そこで，本研究では結合共振器システムによるポンプ共振のシフトを導入し，異常分散領域における高効率なDKSを実証した．このシステムによりCWレーザがブルーデチューンにおいて信頼性の高いDKS開始プロセスが可能であることを発見し，最大変換効率54%の滑らかなDKSスペクトルを示した．これはCW励起によるシングルソリトンにおいて達成された最高の変換効率である．

発表内容:

エルビウムドープファイバーレーザの受動モードロックにおける、グラフェン層の可飽和吸収の影響を実験的に調べた．1層から6層までの機械的に剥離したグラフェン可飽和吸収体サンプルを作製し、ラマン分光法による2次元バンドプロファイルによって精密に評価した．この試料を可飽和吸収体(SA)としてファイバーレーザーに組み込むことにより、パルス幅670-780fs、帯域幅3.8-4.6nmのモード同期性能を得ることができた．また、単層および二層グラフェンでは、モードロッキングの活性化メカニズムが非自己始動型から自己始動型へと遷移することが確認された．これは、グラフェンの層数に依存する可飽和吸収応答の速度による影響を強く示すものである．

発表内容:

ソリトンマイクロコムの時間ジッタを研究することは非常に重要である。ここでは非
常に均一な消光比とモード相互作用の欠如を持つシリカ光マイクロ共振器を作製し
た。このような完全なWGM共振器に基づいて、ソリトンコムの繰り返し周波数を光検
出することにより、超低位相雑音（-83 dBc/Hz@100 Hz; -112 dBc/Hz@1 kHz; -133
dBc/Hz@10 kHz）のKバンドマイクロ波が発生できることを実証した。またラマン散乱
と分散波の放出が大きく制限されることで、超低時間ジッター・ソリトンが広い存在
範囲を持つことを示す。本研究は、低ノイズフォトニックマイクロ波発生への道筋を
示すとともに、ソリトンマイクロコムの量子領域への道筋を示すものである。

発表内容:

本論文では、中心波長とパルス幅の両方で連続的に調整可能なピコ秒パルスを供給する全正規分散イッテルビウムロッド型ファイバレーザー発振器を設計しました。このシステムは、最大 25 W の平均出力でセルフモードロックパルスを供給します。78 MHz の繰り返しレートでピコ秒レーザーパルスを生成し、その中心波長とパルス幅は 1010 nm～1060 nmの間で調整できます。

発表内容:

シリコンナイトライド（SiN）共振器中の，ソリトン発生に使用するのと異なる偏波
のモード（cooling-mode）を用いると，1つのポンプレーザーのみの入力で熱光学効
果による揺らぎを克服し，ソリトンにアクセスすることができる．本論文ではこの手
法によって生成されたソリトンの位相ノイズを測定し，cooling-modeの効果によって
熱に起因するノイズが低減されることを示した．

発表内容:

過去10年間にわたり，passiveで非線形な光共振器は，超短光パルス及び対応する広帯域周波数コムの生成における新たな手法として登場した．本研究は，passive共振器を用いた超短パルス生成の新たな方法を探求するものである．シリカ固有の非線形ラマン増幅を活用することにより，標準的な市販光ファイバーで生じた共振器の位相同期パルスを介して，100 fsを大幅に下回る持続時間の低ノイズ散逸ソリトンを決定的に生成することに成功した．新しい散逸ラマンソリトン状態の物理を探求し，パルスの特性を支配するスケーリング法則を特定し，ソリトン持続時間に影響を与えることなく出力繰り返し率を自由にスケーリングできるようにする．この手法は，市販の光ファイバー（active or passive）で生成された中で最も短いパルスを実現し，既存の分散エンジニアリングされたシリカ微小共振器を使用してチップスケールの形式に転用する可能性を有している．

発表内容:

Optical chaos is vital for various applications such as private communication, encryption, anti-interference sensing, and reinforcement learning. Chaotic microcombs have emerged as promising sources for generating massive optical chaos. However, their inter-channel correlation behavior remains elusive, limiting their potential for on-chip parallel chaotic systems with high throughput. In this study, we present massively parallel chaos based on chaotic microcombs and high-nonlinearity AlGaAsOI platforms. We demonstrate the feasibility of generating parallel chaotic signals with inter-channel correlation <0.04 and a high random number generation rate of 3.84 Tbps. We further show the application of our approach by demonstrating a 15-channel integrated random bit generator with a 20 Gbps channel rate using silicon photonic chips. Additionally, we achieved a scalable decision-making accelerator for up to 256-armed bandit problems. Our work opens new possibilities for chaos-based information processing systems using integrated photonics, and potentially can revolutionize the current architecture of communication, sensing and computations.

発表内容:

This work proposes a novel dual-mode photonic-crystal waveguide that realizes direct in-plane resonant excitation of the embedded QDs. The device relies on a two-mode waveguide design, which allows exploiting one mode for excitation of the QD and the other mode for collecting the emitted single photons with high efficiency. By proper engineering of the photonic band-structure, single-photon collection efficiency of β > 0.95 together with a single-photon impurity of ϵ < 5 e−3 over a broad spectral and spatial range is achieved. The device has a compact footprint of ∼50 μm2 and would enable stable and scalable excitation of multiple emitters for multi-photon quantum applications.

発表内容:

ソリトン・マイクロコムはフォトニクス由来の低ノイズマイクロ波発生技術として非常に有望視されているが，マイクロコムの繰り返し周波数は基本的に共振器のサイズによって決定し，熱やポンプ周波数の調整による広帯域かつ高速な周波数チューニングには限界がある．そこで，本研究では新たなデバイス構成によって高速に繰り返し周波数のチューニングが可能なマイクロ波ソリトン・マイクロコムを実証した．用いた共振器はLiNbO3リング共振器であり，電気光学変調素子をリング導波路に沿って組み込むことにより75 MHzの帯域を5.0x10^14 Hz/sで変調することに成功し，従来技術よりも数桁速い変調速度を達成した．このデバイスは周波数計測，周波数シンセサイザ，LiDAR，センシング，通信を含む多くのアプリケーションに応用されることが期待される．

発表内容:

微小光共振器は、高効率な光と物質相互作用のための有望なプラットフォームである．近年、ナノスケールの微小光共振器と2次元材料の組み合わせは、微小光共振器形状の光エレクトロニクスをさらに豊かにし、レーザー、非線形コンバーター、変調器、センサーなどの幅広い進歩に拍車をかけている．ここでは、グラフェン-微小光共振器ファイバーにおけるコンパクトなデュアルレーザー共振のコンセプトを報告する．単一の980nmポンプによって駆動され、直交偏光したレーザーラインがモードを破る一対の縮退で生成される．2本のレーザーラインは118.96MHzでヘテロダイン・ビートノートを発生し、周波数ノイズは1MHzオフセットで200Hz^2/Hzまで下がり、真空中で930Hzの線幅を示した．このコンパクトな装置により、オンラインかつラベルフリーでアンモニアガスを高分解能で検出することができ、検出限界はシングルpmol/Lレベルである．

発表内容:

この論文ではAs2Se3 導波路に基づく、広帯域で波長可変のラマン・ソリトン光源を提案し、数値的に実証している。入力導波路は近赤外帯に異常分散を与え、それによってラマンソリトン自己周波数シフト（SSFS）励起用の1.96μm光源を可能にする。出力導波路は、大きな異常分散を示し、中赤外帯域で良好なモード閉じ込めを示すので、さらなるSSFSプロセスをサポートする。2.29〜4.57μmの波長可変ラマン光源が、このオンチップ・プラットフォームで理論的に実現されている。この研究は光源の調整範囲を拡大するための、簡単で実装しやすい戦略を提示している。提案された波長可変光源は、統合分光、ガス検知、LiDARアプリケーションにおいて大きな可能性を秘めている。

発表内容:

高周波キャリアであるテラヘルツ（THz）波は、超広帯域であるため、高データレー
トの無線伝送を実現するために不可欠である。多値変調を可能にするためには、位相
安定化が極めて重要であり，以前マッハツェンダー干渉計による位相安定化技術を開
発した。しかし、この方法では位相変調されたTHz波を発生させる際に、位相変調器
が位相安定化系に影響を与えてしまう問題があった。そこで我々は、THz波の発生シ
ステムとは逆方向の光波を用いた新しい位相安定化アプローチを考案した。その結
果、3Gbit/s以上の変調周波数でエラーのない伝送が実証された。

発表内容:

共振器を1560nmのエルビウム/イッテルビウム共振ファイバーレーザー共振器に組み込んだ効率的な1.7μm Tmドープファイバレーザを実証し，所望の出力パワーを得るために、ファイバ長と出力カップリングを最適化するレート方程式モデルが開発された。実験では、976nmのダイオードポンプパワー10Wの下で、1720nmで1.13Wの最大出力が得られ、これはモデリングとよく相関していた。マルチモード976nmダイオードポンプから1720nm出力までのスロープ効率は13.5％であり、立ち上げ1560nmポンプパワーでのスロープ効率は62.5％に達した。信号の再吸収を最小限に抑えるために短いTmドープファイバを使用することで、65dB以上の高いS/N比を達成した。また、開発したモデルに基づいて、さらなるパワースケーリングの見通しについても議論した。

発表内容:

Flat optics has demonstrated great advances in miniaturizing conventional bulky optical elements due to recent developments in metasurface design. Specific applications of such designs include spatial differentiation and the compression of free-space. However, metasurfaces designed for such applications are often polarization-dependent and are designed for a single functionality. In this work, we introduce a polarization-independent metasurface structure by designing guided resonances with degenerate band curvatures in a photonic crystal slab. Our device can perform both free-space compression and spatial differentiation when operated at different frequencies at normal incidence. This work demonstrates the promise of dispersion engineering in metasurface design to create ultrathin devices with polarization-independent functionality.

発表内容:

SiN共振器でシングルソリトンを発生させる新たな方法を提案する．補助レーザー法は2つの共振を励起し，片方で熱的補償をするが，2つの共振はFSRだけ離れており，このためにポンプと別のレーザーを用意することになるため，この方法は非効率的であった．今回の研究では，2モードの共振器を適切に設計し，共振周波数の極めて近い2つの共振を用いることで，1つのポンプレーザーのみでソリトンの生成に成功した．

発表内容:

Optical chaos communication and key distribution have been extensively demonstrated with high-speed advantage but only within the metropolitan-area network range of which the transmission distance is restricted to around 300 km. For secure-transmission requirement of the backbone fiber link, the critical threshold is to realize long-reach chaos synchronization. Here, we propose and demonstrate a scheme of long-reach chaos synchronization using fiber relay transmission with hybrid amplification of an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) and a distributed fiber Raman amplifier (DFRA). Experiments and simulations show that the hybrid amplification extends the chaos-fidelity transmission distance thanks to that the low-noise DFRA suppresses the amplified spontaneous emission noise and self-phase modulation. Optimizations of the hybrid-relay conditions are studied, including launching power, gain ratio of DFRA to EDFA, single-span fiber length, and number of fiber span. A 1040-km chaos synchronization with a synchronization coefficient beyond 0.90 is experimentally achieved, which underlies the backbone network-oriented optical chaos communication and key distribution.

発表内容:

集積マイクロ波フォトニックフィルタ（IMPF）は広帯域性や再構成可能性といった点で優れた性能を提供する．しかし，従来の方法では高い再構成可能性を実現するためには複雑なシステム構造や変調方式を採用する必要があり，消費電力や制御面で大きな負担となっていた．本研究ではシリコンフォトニクスプラットフォーム上で，広帯域かつ高度に再構成可能なIMPFを実証する．BPFとBSFの両方の切り替え可能な機能を実装し，広い周波数範囲（最大30 GHz），高い除去比（BSFで約60 dB），高いスペクトル分解能（220 MHz）などを実現した．また，提案したIMPFの実用性を検証するために，高速なチャネル選択性実験と，強力な干渉抑制実験を行った．高分解能，再構成可能などの優れた性能を備えたIMPFは，6G通信の根本的なボトルネックを解消し，様々なマイクロ波・ミリ波アプリケーションを実現する上で重要なものとなるであろう．

発表内容:

偏光選択素子は、光学系の偏光を制御することができます．我々は、光学系の偏光を調整するために、シリカ微小球と単層グラフェンに基づくコンパクトなハイブリッド構造を開発しました．この動作原理は、ウィスパリング・ギャラリー（WG）TEモードとTMモードを介したシリカ微小球と組み合わせたグラフェンの偏光依存吸収です．微小球の共振モードの電界分布と偏光状態が異なるため、微小球とグラフェン間のギャップ距離によって、微小球のQ値と共振波長を変化させることができ、TEモードとTMモードのWGモードでそれぞれ異なる変化を実現することができます．ギャップ距離を2.2 µmから0.3 µmに縮めると、90°偏光方向の共振偏光モードと0°偏光方向の共振偏光モードの間で11 dBの偏光消光比が実現した。この結果は、高性能な偏波選択素子を実現するための魅力的で効果的なフォトニックプラットフォームを提供することができます．

発表内容:

擬交差を伴った，確実な2ソリトン生成の観測

マイクロ共振器中の散逸カー・ソリトン（DKS）は，様々な応用が期待されている減少である．DKS状態のうち，シングルDKS，ダブルDKS，パーフェクトソリトンクリスタルは，光スペクトルから単純に識別することができる．特にダブルDKS状態は，その2パルス干渉の性質から，最近再構成可能なRFフィルターへの応用が提案されている．しかし従来のダブルDKSの生成方法では，共振器内のDKSの相対角度が確率的に変化する問題があった．本論文では97 GHzのSiNマイクロ共振器において，デュアルポンプ方式により，相対角度が固定されたダブルDKSを確実に発生させる方法を実証した．またソリトンの相対角度とAMXによるCWバックグラウンドとの関係を明らかにし，DKSダイナミクスに関する知見を新たに提供する．

発表内容:

マルチポイントサイドポンプ2.825μm高濃度エルビウム添加フッ化物ファイバーレーザーの出力と熱特性について数値シミュレーションにより調べた。研磨されたエルビウム添加フッ化物ファイバーベースのサイドポンプカプラを用いた4点（または6点）エルビウム添加フッ化物ファイバーレーザーは，それぞれ立ち上げられた981nmのポンプパワー100W（または75W）で100Wを超えるレーザ出力を実現した。一方、利得ファイバーチップのコア温度上昇は1 K以下であり、高反射ファイバーブラッググレーティングを高出力動作で安定に動作させることが可能である。マルチポイントサイドポンプ化物ファイバーベースのサイドポンプカプラと効果的なコーティングを施したエンドキャップの準備プロセスが成熟すれば、提案されたマルチポイントサイドポンプエルビウム添加フッ化物ファイバーレーザーは、ある程度の実現可能性があり、理論的には、効果的な熱管理を備えた100Wの中赤外ファイバーレーザーの開発に道を開く可能性がある。

発表内容:

分光器をモバイルプラットフォームに展開するために，小型な分光器開発のための新しいコンセプトが求められている．強い波長依存性を示す点広がり関数を持つ素子と，計算機とを組み合わせることで実現する"Computational Spectrometer"の概念は，この新しいコンセプトの良い解決策である．メタオプティクスは点広がり関数を操作するよう設計されており，強い波長依存性を持つ．点広がり関数が2重らせんを描くメタオプティクスを設計し，点広がり関数の波長依存性を記録することで，スペクトルの再構成を可能とした．赤外域で，約3.5 nm の分解能を達成した．

発表内容:

集積フォトニクスの進展により、安定性の高い、コンパクトで広帯域のコムジェネレータが開発され、通信、距離測定、分光学、周波数計測、光計算、および量子情報など、さまざまな応用に対応しています。広帯域の光周波数コムは、光が位相変調器を複数回通過し、光共振器内を循環する電気光学キャビティ内で生成されます。しかし、現在の広帯域電気光学周波数コムは、変換効率が低いという制約があります。本研究では、薄膜リチウムニオブ酸を基盤としたカップリング共振器プラットフォームを用いた、変換効率が30%で光スパンが132 nmの集積電気光学周波数コムを実証しました。さらに、高い効率を活用することで、このデバイスはチップ上のフェムト秒パルス源（パルス幅336 fs）として機能し、非線形光学、センシング、および計算などの応用に重要です。

発表内容:

自動運転での活用が期待されるLight Detection and Ranging(LiDAR)には，従来から，パルス光源を用いるTime-of-flight(TOF)方式や，チャープ光源を用いるfrequency-modulated continuous-wave (FMCW)方式などがある．しかし，LiDARの普及とともに，近い波長帯を利用したLiDAR同士の混信による精度の低下や，それによる事故の発生などが懸念される．そこで，非常にカオスなマイクロコムを光源とし，カオスな時間波形の相関を取ることで，混信に強い実用的なLiDARが開発されたため，紹介する．　

発表内容:

Compact narrow-linewidth visible lasers are pivotal components for optical sensing, metrology and communications, as well as precision atomic and molecular spectroscopy. With an emission bandwidth approaching an octave, titanium-doped sapphire (Ti:Sa) lasers are key tools for producing solid-state lasing across visible and near-infrared bands; however, today’s commercial Ti:Sa laser systems require high pump power and rely on expensive tabletop components, which restrict them to laboratory settings. In this paper we present a photonic-circuit-integrated Ti:Sa laser that combines the Ti:Sa gain medium with a silicon-nitride-on-sapphire integrated photonics platform, resulting in high portability with minimal power consumption. We demonstrate Ti:Sa lasing from 730 nm to 830 nm by tightly confining the pump and lasing modes to a single microring resonator, reducing the lasing threshold by orders of magnitude down to 6.5 mW when compared with the free-space Ti:Sa lasers. Due to the low threshold, turn-key Ti:Sa laser operation is achieved by leveraging a commercially available indium gallium nitride pump diode. Our prototype photonic-circuit-integrated Ti:Sa laser opens a reliable pathway for broadband tunable lasers in the next generation of active–passive-integrated visible photonics.

発表内容:

Abstract: For the first time, to the best of our knowledge, we experimentally demonstrate a high-speed free-space secure optical communication system based on all-optical chaos modulation. The effect of atmospheric turbulence on optical chaos synchronization is experimentally investigated via a hot air convection atmospheric turbulence simulator. It is shown that, even under moderately strong turbulent conditions, high-quality chaos synchronization could be obtained by increasing the transmission power. Moreover, a secure encryption transmission experiment using a high bias current induced chaotic carrier for 8-Gbit/s on-off-keying data over a ∼10-m free-space optical link is successfully demonstrated, with a bit-error rate below the FEC threshold of 3.8 × 10⁻³. This work favorably shows the feasibility of optical chaotic encryption for the free-space optical transmission system.

発表内容:

Topological photonic devices with dynamically tunable functions
are highly on demand in practice, but the majority of previously proposed
photonic systems have been limited to fixed performances, once fabricated.
Although several approaches have been proposed for obtaining the tunability
in topological photonic systems, they are limited to first-order topological
states and require rather complicated structures. Herein, second-order
topological properties of rhombic photonic crystals (PCs) are revealed, for
the first time, enabling to realize tunable photonic devices. For this
purpose, the conventional square lattice PCs composed of four rigid
dielectric rods are reshaped to rhomboid ones with preserved inversion
symmetry, which exhibit well-quantized bulk polarizations. Since the
eigenfrequencies of topological edge and corner states depend on the angle
between the neighboring sides of unit cells, the second-order topological
systems exhibit dynamic tunability, being useful for diverse applications
such as optical switching and flexible beam control. Unlike the previous
results for reconfigurable routing limited to special angles, this
lattice-reshaping mechanism has the ability to realize dynamically tunable
routing, extending the realm of applications of topological photonics. For
its simplicity and feasibility, this mechanical lattice-reshaping approach
paves the way toward higher-order topological photonic devices with
dynamically controlled functions.

発表内容:

高Q微小光共振器による散逸性Kerrソリトン(DKS)は，低ノイズかつ広帯域の並列なコム線を持つため既に数多くの分野で応用されているが，高い共振器内パワーと外部環境との大きな温度交換に起因する熱双安定性と熱雑音はソリトンマイクロコムの形成を妨げ，位相・周波数雑音を悪化させる．本研究では，高速周波数掃引と光サイドバンド熱補償を組み合わせた新たな手法を提示し，シングルソリトン状態になるための単純かつ信頼性の高い方法を提案する．また，ロッキングループを閉じることにより5.5e-15(積分時間1秒)のループ内繰り返し率不安定性を実現したことを報告する．

発表内容:

ラベルや捕獲剤を使用せずに高感度で分子を検出・同定する能力は、医療診断、脅威の特定、環境モニタリング、基礎科学にとって重要です。マイクロトロイド共振器は、ノイズ除去技術と組み合わせることで、ラベルフリーの1分子検出が可能であることが示されています。しかし、捕獲剤と標的分子に関する予備知識が必要です。光周波数コムは、微小光共振器のエバネッセントフィールド内にある分子の高精度な分光情報を提供できる可能性がありますが、空気中や水中の生体センシングでは、まだ実証されていません。特に水溶液の場合、カップリングや熱的不安定性、Q値の低下、モードスペクトルの変化などが障害となります。ここでは、微小光共振器を用いた単一分子分光法の重要な課題である、空気中または水溶液中に浸したときに可視から近赤外の波長で周波数コムを発生させることを実現しました。必要な分散はモード結合によって達成され、より大きなマイクロトロイドを用いることで達成可能であることを示しました。

発表内容:

ソリトンマイクロコムはその汎用性の高さから広く研究されている分野の一つである．精密な周波数ルーラーとして用いる場合マイクロコムは広帯域の位相コヒーレンスを示す必要があり，コムラインの位相雑音とそれに対応する光線幅がそのパラメータである．本研究はシリコンナイトライドの高Q微小共振器を用いて発生するソリトンマイクロコムの光位相雑音ダイナミクスを解析し，ラマン自己周波数シフトなどにより一部のコムラインの線幅がポンプレーザーの線幅よりも狭くなる場合があることを示すものである．ソリトンマイクロコムの位相コヒーレンスにおける物理限界を明らかにし，分光コヒーレント光をチップ上で生成する際の新しい戦略となることを示す．

発表内容:

Erドープ結晶をレーザーダイオード（LD）で励起することで、低コス
トでコンパクトな構造の3μm近傍レーザーを得ることできる。CaF2とSrF2の結晶は、蛍石構造によりEr3+イオンが「クラスター」を形成しやすく、この効果によりEr3+イオン間の空間が短くなり、結晶内で激しいイオン間エネルギー移動がもたらされる。クラスターの存在により、自己終端プロセスが解決されただけでなく、Er3+ 2.8μmレーザー発生時の深刻な熱損傷も回避された。本研究では、温度勾配法を用いて高品質な1.7at.%Er:CaF2レーザー結晶の育成に成功した。LD励起2756.6nmレーザーの最大出力は2.32Wを達成した。これは、LD励起Er3+ドープフッ化物結晶で発生するレーザー出力としては、近年最高のものである。さらに、1532nmのLD励起による1.7at.%のEr:CaF2レーザーの性能も実証し、軽ドープEr:CaF2結晶内での強いエネルギー移動が証明された。これらの成果は、小型化・低コスト化を目指した中赤外レーザーの開発にとって貴重なものである。

発表内容:

フォトニクス技術の高速化に向けて，静的な電圧印加のみによって光学特性が自発的に変化するナノ構造体（フォトニック結晶）を提案する．提案したフォトニック結晶をPCSELに応用し，外部からスイッチング操作を行うことなくパルス発振が起こることを実証した．本成果は新しい方式によるPCSELパルス発生として意義があり，またキャリアフォトンダイナミクスに起因する現象のより深い理解にもつながるだろう．

発表内容:

生体深部のイメージングに用いられる２光子顕微鏡の発展に向け，Ndをドープしたカスケードラマンレーザの作成を行った．課題となる1060nmと900nm付近のモード競合を抑えるために，曲げ損失を利用し作成が容易なモードロックカスケードラマンレーザーの開発を行った．

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