一般的に、電子回路における雑音は、電子回路に接続されている抵抗によって発生する熱雑音と能動素子の雑音があり、さらに、低周波領域では1/f雑音がある。このような雑音が電気通信における伝送品質を劣化させ、電気計測における測定限界の原因になる。

　光を用いて情報伝送とか計測を行う場合には、光検波器を用いて光信号を電気信号に変換し、その電気信号を電子回路によって情報の検出または測定を行っている。この時、光検波後の電気信号には、この光が持つ量子雑音がショット雑音に、電子回路の雑音が加わる。コヒーレント状態の光を用いた場合、光の持つ量子雑音は標準量子限界(Standaerd Quantum Limit,SQL)の雑音レベルになり、電子回路の熱雑音に比べて非常に大きいために、光伝送とか光計測ではこの量子雑音が支配的になる。

　しかし、通常のレーザの出力光には量子雑音以外に、増幅された自然放出光の雑音、緩和振動による雑音、縦モード間のビート成分雑音、多縦モード発振によるモード分配雑音、反射光の結合によるPM-AM変換雑音などいくつかの過剰な強度(振幅)雑音が含まれる。

　本論文で議論する半導体レーザの振幅雑音は、光が量子的であるために、本質的に持っている量子雑音である。したがって、前述の過剰雑音を限りなく抑圧した状態の振幅雑音について議論する。

　通常のレーザの出力光は、空間および時間的に位相がそろったコヒーレント光である。この光をゆらぎについて記述すると、古典的な電磁波の平均振幅に、ハイゼンベルグの不確定性原理を満足して2つの直交位相成分に等しく分配された最小不確定積のゆらぎを持つ真空場のゆらぎが重畳したコヒーレント状態になる。ハイゼンベルグの不確定性原理に従いながら、直交関係にある非可換観測量の一方のゆらぎを抑圧して、他方のゆらぎを大きくした状態を一般的にスクィーズド状態と呼ぶ。さらに、この不確定性原理を満たしつつ非可換観測量間のゆらぎの比を人工的に変えることをスクィージングという。光子数と位相の間でスクィージングを行い、光子数のゆらぎを標準量子限界より小さくした状態が振幅スクィーズド状態である。もし、スクィーズド状態を用いて量子雑音を限りなく小さくできれば、測定精度、伝送品質を飛躍的に改善できる。

　スクィーズド状態は、コヒーレント状態の単純な重ね合わせでは発生させることは不可能で、非線形光学効果を用いなければならない。直交位相間のスクィーズド状態の発生にはいくつかの方法が提案されているが、振幅スクィーズド状態の発生法については、本研究を開始した時点では有効な方法はなかった。

　本論文では、振幅スクィーズド状態の実現、すなわち、定電流動作半導体レーザによる振幅スクィーズド状態発生の提案に対する実験による実証について述べる。

　振幅スクィーズド状態発生の3つの原理[1]-[3]から、振幅スクィーズド状態の発生に必要な半導体レーザの構造と動作条件は次のようになる。

図1DFB半導体レーザを用いた実験結果。(a)はショット雑音レベルで規格化した振幅雑音の周波数特性で、350〜450MHzの周波数で振幅スクィーズド状態になっている。(b)は規格化ポンプレベルに対する振幅雑音の特性で、実験結果はポンプゆらぎを抑圧したレーザの理論と良く一致している。

図2(a)は遅延バランスドミキサの構成図で、差動増幅器の一方の入力信号に遅延時間を与える構成である。(b)は遅延バランスドミキサで測定した振幅雑音の周波数特性で、トレースAとCで山谷が反転し、トレースCが振幅スクィーズド状態であることを示す。

図3(a)はバランスドミキサ構成の実験系で、ショット雑音レベルの校正はLEDによって行う。(b)は振幅雑音の周波数特性で、aはショット雑音レベルを、b,c,dはレーザの雑音レベルを示す。

　本論文は「定電流動作半導体レーザによる振幅スクィーズド状態の発生と観測に関する研究」と題し、全6章および付録2項よりなる。

　光伝送や光計測における基本的な課題は信号に対し雑音を抑えることであるが、量子力学の原理によれば共役な二つの物理量の揺らぎの積は一定値以上であり、通常のレーザ光が示すコヒーレント状態では光振幅および位相ともに一定以上の量子雑音レベルを与える。これに対して共役量の一方のゆらぎの増大を許しつつ他方の揺らぎが減少した状態はスクィーズド状態と呼ばれ、量子力学の要請に矛盾しない。1980年台前半よりその実験的な実現の研究が開始されたが確実に光電界振幅の揺らぎを抑圧する状態を作り出す方法は見出されていなかった。本研究者らは半導体レーザ発振器の持つ自律的な非線形応答動作が振幅スクイーズド状態を作るのに適する現象であることを始めて見出し、実際にスクィーズド状態を作り出すことに成功した。

　第1章「序論」では、まず光の雑音についての従来の理解を要約し、さらにスクィーズド状態概念を説明している。また本研究で展開される外部真空場ゆらぎの抑圧、およびポンプ揺らぎの抑圧という概念を導入し、研究の流れを示すとともに本論文の目的、構成を提示している。

　第2章は「定電流動作半導体レーザによる振幅スクィースド状態発生の原理」と題し、まず山本らによって提案された自励発振器による外部雑音の抑圧の原理を要約している。次にその実験的実証のためにおこなった低雑音のガンダイオードマイクロ波発振器への高雑音外部信号(進行波管出力)の注入の際のカットオフ周波数以内での振幅雑音低減の結果を示している。さらにこれを光領域に拡張すると、ポンプ揺らぎの無い極限では光子数ゆらぎは系のカットオフ周波数内では発振しきい値より十分高い励起のときショット雑音レベルより低い揺らぎが達成できることになるが、この要求を満たす半導体レーザについて予想をおこなっている。またポンプ揺らぎはpn接合電流で励起される半導体レーザでは定電流条件によって抑圧されることを予言している。

　第3章「量子雑音レベルの精密測定」では、光子数ゆらぎを検出する方法としての光バランスドミキサの量子力学的な動作解析を行い、中間周波数信号の雑音入力波および局所発振器の雑音の関係を整理した。実際にバランスドミキサ光学系を作って実験を行い、ショット雑音レベルの精密測定が可能であることを示した。検出にはスペクトラムアナライザによる雑音電力スペクトル測定と波形記憶装置による測定の両者を試み、適切な校正法によっていづれも精密測定が可能であることを示している。

　第4章「定電流動作半導体レーザによる振幅スクィースド状態発生の実験」では、電源回路に高抵抗を接続して定電流駆動条件として半導体レーザについて雑音測定を行い、ショット雑音レベルと比較した。まず発振モード単一化に適する分布帰還型半導体レーザにおいて0.18dBの振幅スクィーズド状態を確認し、さらに低温動作可能の0.85ミクロン帯TJSレーザを77Kで動作させ、より大きなスクィージングを観測している。また同一条件で被験レーザ雑音とショット雑音の測定が可能な遅延バランスドミキサ実験法を用いて高い精度での測定を行い、最適状態での実測値8.3dB、光検出器の量子効率で補正した推定量で14dBの振幅スクィージングを観測した。

　第5章「モード分配雑音の振幅スクィースド状態への影響」では、レーザ発振の多モード性がスクィーズド状態発生に及ぼす影響について実験的検討を行っている。多数のモードが同時発振しているレーザ系では共通の利得媒質における負の存在のために個別モードを取り出して測定すると過剰な雑音が観測されるが、全モードの総和を測定すると完全な負相関のために振幅スクィーズド状態は実現できるはずである。この事実を3種類の多モード系、すなわち(1)縦多モード相関、(2)共振器内左右の進行波モード相関、(3)直交偏波モード相関、について調べ実証した。

　第6章は「結論」であり、得られた研究成果をまとめるとともに本実験の成功に必要とされた主要な実験上の工夫を要約している。

　以上のように本論文は光の量子力学的な特性の制御の中心的課題であるスクィーズド状態の発生について実験的な検討を加え、半導体レーザ発振器を定電流駆動することによってポンプ揺らぎを抑え、これによって10デシベルに達する顕著な光振幅スクィーズド状態の発生に成功するとともに、ショット雑音レベル以下の雑音特性の精密測定法を確立するなど、光電子工学に貢献するところが多大である。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。