Short-pulse high-power operation of photonic crystal surface-emitting lasers introducing refractive index gradation

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本研究では、フォトニック結晶の２次元共振作用をレーザー発振に利用した面発光型半導体レーザー（フォトニック結晶レーザー：PCSEL）において、屈折率勾配（バンド端周波数勾配）の導入という新たな短パルス・高ピーク出力化の手法を提案し、外部増幅器を用いない単一光源から、高ビーム品質を維持しつつ、パルス幅数10ps未満, ピーク出力100W～1kW級の短パルス・高ピーク出力発振を実現することを目指す。2022年度は、まず、2021年度に作製した周波数勾配を導入した直径1mmのPCSELについて、より高振幅電流を注入した際の詳細な発振特性の評価を行った。その結果、25Aの電流注入で、100Wを超えるピーク出力が得られることを明らかにするとともに、さらに高電流を注入した際には、フォトニック結晶面内を光が往復するような特異な発振現象が生じることを見出した。また、上記の特異な発振現象が生じる原因を数値計算により明らかにし、より安定な高ピーク出力パルス発振を得るための設計指針を明らかにした。続いて、2021年度に当初の計画を超えて設計を行っていた、周波数勾配と可飽和吸収領域を同時に導入したPCSELについても、実際にデバイス作製を行い、その発振特性の評価を行った。その結果、20Aの電流注入において、パルス幅30ps未満、ピーク出力180W級の高ピーク出力・短パルス発振を実証することに成功した。さらに、上記のPCSELにおいて、分散補償媒質を用いたパルス圧縮の実験を行った結果、パルス幅10ps程度、ピーク出力300W程度のパルス発振が得られ、PCSELのさらなる高ピーク出力・短パルス発振動作が実現した。以上を通して、本研究課題の最終目標（ピーク出力100W～1kW級）を1年前倒しで達成することが出来た。