ブロードエリア半導体レーザにおける時空カオス光の位相ダイナミクス

• Material Type: 博士論文
• Title: ブロードエリア半導体レーザにおける時空カオス光の位相ダイナミクス
• Author/Editor: 荒幡, 真也
• Author Heading: 荒幡, 真也
• Publication Date: 2016
• Publication Date (W3CDTF): 2016
• Periodical title: 博士論文（埼玉大学大学院理工学研究科（博士後期課程））
• Degree grantor/type: 埼玉大学
• Date Granted: 2016-03-24
• Date Granted (W3CDTF): 2016-03-24
• Dissertation Number: 甲第1016号
• Degree Type: 博士(工学)
• Conferring No. (Dissertation): 甲第1016号
• Text Language Code: jpn
• Target Audience: 一般
• Note (General): type:text; ブロードエリア半導体レーザは，通常の半導体レーザの発光領域幅を横方向に拡張することにより，高出力化を達成した光デバイスである．特にレーザ加工やレーザディスプレイへの応用が期待されている．ブロードエリア半導体レーザはその拡張された発光領域幅のために，空間的な自由度が追加され時空間ダイナミクスが発生する．特に，フィラメンテーション発振と呼ばれる時空間ダイナミクスは横モードの多重化の原因であり，レーザのビーム品質の低下を招くことが問題となる．そこで実際のレーザ加工等の応用に向けて，レーザビームの安定化のための研究がこれまでに行われてきた．一方で，フィラメンテーションの振動周波数は10 GHz を超える時空カオスであり，この時空間不規則振動を用いることで半導体レーザカオスを用いた高速物理乱数生成への応用が可能であると考えられる． 半導体レーザカオスを用いた高速物理乱数生成は，Gb/s を超える物理乱数の生成が可能となる技術である．本手法をブロードエリア半導体レーザに適用する場合，ブロードエリア半導体レーザの光出力を空間的に分割し抽出することで，別々のカオス的振動を有する部分出力光強度が得られる．そのため１つのレーザから空間的に独立した乱数生成が可能であり，乱数源の空間並列化が実現できると期待される．この際に問題となるのが，空間的に抽出した部分強度間における時間振動波形の位相関係である．もしも部分強度間に位相ダイナミクスが存在している場合，生成された乱数間に相関が生まれ，乱数の質の低下を招くことが懸念される． これまでに多重縦モード固体レーザや半導体レーザにおいて反位相ダイナミクスが観測されている．観測された位相ダイナミクスは周波数依存性を有しており，レーザの固有振動周波数である緩和発振周波数に対応する振動成分は同位相ダイナミクスを示すことが知られている．一方で，それ以下の周波数成分では反位相ダイナミクスの弱め合いが発生し，全強度のみを観測すると低周波数成分が消失して緩和振動のみが観測されることが報告されている．一方で，空間的自由度を有するブロードエリア半導体レーザにおいて，位相ダイナミクスはこれまでに調査されていない． そこで本研究では，ブロードエリア半導体レーザの時空カオス光における位相ダイナミクスを，実験および数値計算により調査することを目的とする．特に光ビームをスリットを用いて空間的に分割することで部分強度を観測し，部分強度間の各周波数成分における位相ダイナミクスを調査する．また，ブロードエリア半導体レーザを記述する偏微分方程式を数値的に解くことで，ブロードエリア半導体レーザの位相ダイナミクスを数値解析により調査する． また得られた数値結果を実験結果と比較し，その傾向が一致するかどうかを調査する． 第1 章においては，本研究の背景，目的および本論文の構成について述べている． 第2 章においては，本研究の序論として半導体レーザカオスやブロードエリア半導体レーザ，およびフィラメンテーションについて述べている． 第3 章においては，本研究の実験に関してブロードエリア半導体レーザの基礎特性について記述している．ブロードエリア半導体レーザの注入電流変化時のダイナミクスの変化やレーザ発光直後の光強度分布である近視野強度分布について調査している．また，注入電流変化時あるいは温度変化時の光スペクトルの変化を示している． 第4 章においては，ブロードエリア半導体レーザの位相ダイナミクスの観測実験について記述している．ブロードエリア半導体レーザの光ビームに対して，スリットを用いることで空間的に分割して部分強度を得る．また位相ダイナミクスを判定するために，部分強度の和を計算し全強度と比較することで，周波数成分に対する位相ダイナミクスを調査する．その結果，レーザの固有振動周波数である緩和発振周波数付近において同位相ダイナミクスが観測され，それ以上の周波数成分において反位相ダイナミクスが観測された．このような特徴は従来の固体レーザや半導体レーザにおいて観測された反位相ダイナミクスとは異なる特徴を有していることを発見した． 第5 章においては，ブロードエリア半導体レーザの位相ダイナミクスの数値解析について記述している．第4 章で観測された特徴を数値計算により再現するために，ブロードエリア半導体レーザを記述する偏微分方程式を数値的に解くことで調査する．その結果，緩和発振周波数付近の低周波数成分において同位相ダイナミクスが観測され，それ以上の周波数において反位相ダイナミクスが観測された．以上より，実験結果と数値計算結果との間に同様の傾向が得られた． 第6 章においては，結合されたブロードエリア半導体レーザのカオス同期について記述している．ブロードエリア半導体レーザを一方向に結合し，インジェクションロッキングにより光スペクトルが一致するように波長のパラメータ制御を行うことで，カオス同期を達成する．その結果，多モード発振するブロードエリア半導体レーザにおいてもインジェクションロッキングが達成でき，カオス同期が観測できることが明らかとなった． 最後に第7 章においては，本論文で得られた結果をまとめている． 本研究で得られた知見は，ブロードエリア半導体レーザの時空カオス光の位相ダイナミクスの解明において重要な意義があると考えられる．また応用上では，高速物理乱数の並列生成の際に位相ダイナミクスを制御する上で有用であると期待できる．; 概要 i第1章 はじめに 11.1 背景: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11.2 目的: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 21.3 本論文の構成: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2第2章 序論 52.1 半導体レーザ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 52.1.1 緩和発振周波数: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62.2 半導体レーザカオス: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 62.2.1 半導体レーザカオスを用いた高速物理乱数生成: : : : : : : 72.2.2 帯域拡大カオス: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 82.3 ブロードエリア半導体レーザ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 102.3.1 屈折率分布と自己収束: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 112.3.2 空間的キャリアホールバーニング効果: : : : : : : : : : : : 112.3.3 フィラメンテーション発振: : : : : : : : : : : : : : : : : : : 112.4 ブロードエリア半導体レーザの安定化の例: : : : : : : : : : : : : : 122.4.1 低次モードフィードバックによる安定化: : : : : : : : : : : 132.4.2 二重フィードバックによる安定化の例: : : : : : : : : : : : 152.4.3 4f セットアップによる安定化の例: : : : : : : : : : : : : : : 182.5 反位相ダイナミクス: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 202.6 反位相ダイナミクスの例: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 202.6.1 過渡状態における反位相振動: : : : : : : : : : : : : : : : : 212.6.2 外部変調時における反位相ダイナミクス: : : : : : : : : : : 232.6.3 半導体レーザにおける反位相ダイナミクス: : : : : : : : : : 252.7 半導体レーザの近視野像と遠視野像: : : : : : : : : : : : : : : : : : 26第3章 ブロードエリア半導体レーザ(BAL) の基礎特性 293.1 温度一定時のブロードエリア半導体レーザの光出力-注入電流特性: 303.2 単独発振時の時間ダイナミクス: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 323.2.1 実験装置図: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 323.2.2 ND フィルタの透過率: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 353.2.3 単独発振時のブロードエリア半導体レーザの注入電流変化: 353.3 戻り光カオス発生時のブロードエリア半導体レーザの時間ダイナミクス: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 393.4 注入電流変化時の周波数スペクトルの変化: : : : : : : : : : : : : : 433.5 ブロードエリア半導体レーザ(BAL) の近視野像取得: : : : : : : : : 463.5.1 実験装置図: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 463.5.2 ブロードエリア半導体レーザのビームプロファイル: : : : : 463.5.3 ブロードエリア半導体レーザの近視野像: : : : : : : : : : : 513.6 ブロードエリア半導体レーザ(BAL) の波長特性調査: : : : : : : : : 543.7 まとめ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57第4章 ブロードエリア半導体レーザの位相ダイナミクスの観測実験 594.1 戻り光カオス発生時のブロードエリア半導体レーザ(BAL) の反位相ダイナミクスの調査実験: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 594.1.1 実験装置図: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 604.1.2 戻り光カオス発生時のブロードエリア半導体レーザの空間強度分割: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 644.1.3 反位相ダイナミクスの検出方法: : : : : : : : : : : : : : : : 734.2 単独発振時のブロードエリア半導体レーザ(BAL) の反位相ダイナミクスの調査実験: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 814.2.1 単独発振時のBAL の空間強度分割: : : : : : : : : : : : : : 814.2.2 反位相ダイナミクスの検出: : : : : : : : : : : : : : : : : : : 884.3 まとめ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 95第5章 ブロードエリア半導体レーザの位相ダイナミクスの数値解析 975.1 ブロードエリア半導体レーザ(BAL) の反位相ダイナミクスの数値計算 975.1.1 数値計算モデル: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 975.1.2 ブロードエリア半導体レーザの時空間ダイナミクス: : : : : 1005.2 ブロードエリア半導体レーザの反位相ダイナミクスの調査: : : : : 1035.2.1 空間分割されたブロードエリア半導体レーザの時間ダイナミクス: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1035.2.2 位相ダイナミクスの判定: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1065.3 個別のピーク間の位相ダイナミクスの調査: : : : : : : : : : : : : : 1115.4 乱数生成への応用に関する考察: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1175.5 まとめ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 118第6章 結合されたブロードエリア半導体レーザ間のカオス同期 1196.1 ブロードエリア半導体レーザの光注入時のカオス同期: : : : : : : : 1196.1.1 実験装置図: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 1206.1.2 ブロードエリア半導体レーザのカオス同期の実験的観測: : 1236.1.3 注入電流増加時のブロードエリア半導体レーザの同期: : : : 1286.2 まとめ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 132第7章 結論 133謝辞 137参考文献 143付録A 実験装置 151A.1 ブロードエリア半導体レーザ: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 151A.2 使用機器: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 151; 主指導教員 : 内田淳史
• DOI: 10.24561/00010397; https://doi.org/10.24561/00010397
• Persistent ID (NDL): info:ndljp/pid/10310732; https://dl.ndl.go.jp/pid/10310732
• Collection: 障害者向け資料
• Collection (Materials For Handicapped People:1): テキストデータ
• Collection (particular): 国立国会図書館デジタルコレクション > デジタル化資料 > 博士論文; https://dl.ndl.go.jp/collections/A00014
• Acquisition Basis: 博士論文（自動収集）
• Date Accepted (W3CDTF): 2017-03-02T13:20:07+09:00
• Date Created (W3CDTF): 2016-12-14
• Format (IMT): application/pdf
• Access Restrictions: 国立国会図書館内限定公開
• Service for the Digitized Contents Transmission Service: 図書館・個人送信対象外
• Availability of remote photoduplication service: 可
• Periodical Title (URI): http://dx.doi.org/10.24561/00010397; http://id.nii.ac.jp/1586/00010397/
• Data Provider (Database): 国立国会図書館 : 国立国会図書館デジタルコレクション; https://dl.ndl.go.jp

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2023-09-04 再収集