原山 卓久 (ハラヤマ タカヒサ)

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所属

理工学術院 先進理工学部

職名

教授

兼担 【 表示 / 非表示

  • 理工学術院   大学院先進理工学研究科

学内研究所等 【 表示 / 非表示

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学位 【 表示 / 非表示

  • 博士

 

論文 【 表示 / 非表示

  • Universal single-mode lasing in fully chaotic two-dimensional microcavity lasers under continuous-wave operation with large pumping power [Invited]

    Takahisa Harayama, Satoshi Sunada, Susumu Shinohara

    PHOTONICS RESEARCH   5 ( 6 ) B39 - B46  2017年12月  [査読有り]

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    For a fully chaotic two-dimensional (2D) microcavity laser, we present a theory that guarantees both the existence of a stable single-mode lasing state and the nonexistence of a stable multimode lasing state, under the assumptions that the cavity size is much larger than the wavelength and the external pumping power is sufficiently large. It is theoretically shown that these universal spectral characteristics arise from the synergistic effect of two different kinds of nonlinearities: deformation of the cavity shape and mode interaction due to a lasing medium. Our theory is based on the linear stability analysis of stationary states for the Maxwell-Bloch equations and accounts for single-mode lasing phenomena observed in real and numerical experiments of fully chaotic 2D microcavity lasers. (C) 2017 Chinese Laser Press

    DOI

  • Self-adjustment of a nonlinear lasing mode to a pumped area in a two-dimensional microcavity [Invited]

    Yuta Kawashima, Susumu Shinohara, Satoshi Sunada, Takahisa Harayama

    PHOTONICS RESEARCH   5 ( 6 ) B47 - B53  2017年12月  [査読有り]

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    We numerically performed wave dynamical simulations based on the Maxwell-Bloch (MB) model for a quadrupole-deformed microcavity laser with spatially selective pumping. We demonstrate the appearance of an asymmetric lasing mode whose spatial pattern violates both the x-and y-axes mirror symmetries of the cavity. Dynamical simulations revealed that a lasing mode consisting of a clockwise or counterclockwise rotating-wave component is a stable stationary solution of the MB model. From the results of a passive-cavity mode analysis, we interpret these asymmetric rotating-wave lasing modes by the locking of four nearly degenerate passive-cavity modes. For comparison, we carried out simulations for a uniform pumping case and found a different locking rule for the nearly degenerate modes. Our results demonstrate a nonlinear dynamical mechanism for the formation of a lasing mode that adjusts its pattern to a pumped area. (C) 2017 Chinese Laser Press

    DOI

  • Random Number Generation from Intermittent Optical Chaos

    Andreas Karsaklian Dal Bosco, Naoki Sato, Yuta Terashima, Shoma Ohara, Atsushi Uchida, Takahisa Harayama, Masanobu Inubushi

    IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics   23 ( 6 )  2017年11月

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    We propose a method to generate physical random numbers based on intermittent optical chaos. Intermittent chaotic output is produced in a semiconductor laser subjected to optical feedback embedded in a photonic integrated circuit. This dynamics is characterized by a temporal waveform organized in a succession of laminar regions of low amplitude and bursts of high amplitude. The temporal randomness ruling the alternation of successive laminar regions and bursts is used as an entropy source to generate sequences of random bits. We compare the performances of the exclusive OR and reverse methods implemented in the bit generation process and evaluate the quality of the random bits with the Rabbit test of TestU01 for different bit sequences lengths.

    DOI

  • Dynamics-dependent synchronization in on-chip coupled semiconductor lasers

    Shoma Ohara, Andreas Karsaklian Dal Bosco, Kazusa Ugajin, Atsushi Uchida, Takahisa Harayama, Masanobu Inubushi

    PHYSICAL REVIEW E   96 ( 3 )  2017年09月  [査読有り]

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    Synchronization properties of chaotic dynamics in two mutually coupled semiconductor lasers with optical feedback embedded in a photonic integrated circuit are investigated from the point of view of their dynamical content. A phenomenon in which the two lasers can show qualitatively different synchronization properties according to the frequency range of investigation and their nonlinear dynamics is identified and termed dynamics-dependent synchronization. In-phase synchronization is observed for original signals and antiphase synchronization is observed for low-pass filtered signals in the case where one of the lasers shows chaotic oscillations while the other laser exhibits low-frequency fluctuations dynamics. The experimental conditions causing the synchronization states to vary according to the considered frequency interval are studied and the key roles of asymmetric coupling strength and injection currents are clarified.

    DOI

  • Dynamics Versus Feedback Delay Time in Photonic Integrated Circuits: Mapping the Short Cavity Regime

    Andreas Karsaklian Dal Bosco, Shoma Ohara, Naoki Sato, Yasuhiro Akizawa, Atsushi Uchida, Takahisa Harayama, Masanobu Inubushi

    IEEE PHOTONICS JOURNAL   9 ( 2 )  2017年04月  [査読有り]

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    We report a comprehensive experimental investigation of the nonlinear dynamics yielded in five photonic integrated circuits, each consisting of a semiconductor laser with optical feedback from a short external cavity. The external cavity lengths are different for each laser and range from 1.3 to 10.3 mm, allowing analysis of the dependence of the dynamical scenario on the feedback delay time. We draw two-dimensional bifurcation diagrams and study the relative predominance of the different dynamics exhibited in each laser when the feedback strength and the laser injection current are varied. We identify that, in the commonly termed short cavity regime, small variations of the external cavity length can result in totally different dynamical distributions, suggesting the possibility to use the feedback delay time as a means to control laser behaviors.

    DOI

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共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 光の波動カオス現象に基づく情報処理と動的深層学習

    研究期間:

    2020年04月
    -
    2023年03月
     

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    脳のような高度で柔軟な情報処理システムの構築には,外部からの刺激に対して多様に応答し,並列分散的に処理する機構が不可欠である。本研究では,そのような多様で並列的な処理機能を“波動カオス”と呼ばれる光の物理現象に担わせることで,分類・予測処理を高効率かつ高速に実行する光情報処理系を創出する。更に,深層学習と動的システムの最適制御との類似性に基づき,”動的深層学習”という新しい概念を導入する。この概念に基づき,光の動的システムを制御することで,深層学習を光の物理現象によって実行させるような処理機能を実現する

  • 無限エルゴード理論と大偏差解析による弱いカオス拡散の特性指数の決定

    研究期間:

    2013年04月
    -
    2016年03月
     

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    非定常域のカオス現象はハミルトン系の異常拡散、間欠性、および無限エルゴード性など、未解決の問題が多い。本研究では、それらの多様な現象と統計法則をいくつかの非線形力学モデル【格子ハミルトン系、マッシュルームビリアード系、散逸無限エルゴード系、非カオス的ストレンジアトラクター系、光共振器モデル系、生物の群れ力学モデル系】を用いて明らかにすると共に、実際の地震現象のデータを用いて、地震時系列に埋め込まれている間欠性法則を取り出す分析手法についても具体的に探求し、多くの新しい成果を得ることができた

  • 格子振動系の1/fゆらぎを生み出すカオス力学的機構の解明

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    ハミルトン系が1/fスペクトルのゆらぎを生み出す機構について、古典系及び量子系の双方にわたって研究した。最近の結果は、以下の1-4である。1.ノンツイスト条件下における最安定トーラスのスぺクトル構造を決定し、ツイスト条件下のくり込み構造と違うことを示した。2.高次元系のトーラスの崩壊に伴い、f^<-μ>(1【less than or equal】μ【less than or equal】2)型のゆらぎスペクトルが発生することを、4次元シンプレクティック3.散乱カオスの長時間緩和機構が、正曲率領域における位相安定性に由来することを示し、さらに共鳴状態における新しい緩和機構を明らかにした。4.間欠性カオスを示す量子ビリヤード系が、ウィグナー分布に近いレベル統計に従うことを計算によって示した。1/fスペクトルの発生とレベル統計の詳しい対応は今後の課題として残されたテーマである。本研究によってハミルトン系の微細構造についての新しい知見が他にも多く得られており、一部の結果については、既に学術誌に報告されている

  • ハミルトン系におけるエルゴード特性の微細構造

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    本研究では、ハミルトン力学系の相空間に潜む未知の精密微細構造の発見に取り組み、軌道のエルゴード論的・運動論的複雑さのもつ普遍的法則の解明を目標とした。研究対象は、古典系から量子系まで、また少数自由度系から多自由度系にまで及んだ。運動論的法則の探求においては、多粒子系のクラスター化、緩和現象及び異常拡散現象などの理解の基礎となる力学的描像を理論化することに挑戦した。さらにハミルトン系研究の理論的手法が適用できる具体的実験系であるレーザー発振の光学系の解析も並行して進め、本研究の基礎的成果が技術・工学の分野にまでも拡大・適用できる可能性を追及した。具体的には、以下の成果をあげることができた:(1)トーラス・カオス共存系のフラクタル構造と臨界現象の解明トーラス崩壊現象において、トーラス-カオスの転移点が真性特異点として普遍的な臨界現象を伴うことを、理論および数値シミュレーションで明らかにした。これらの成果を基礎に非双曲系の統計則を決定し、Weibull分布とLog-Weibull分布という、高次元系特有のアーノルド拡散と一致するスケール則を生み出すことを明らかにした。(2)KAM条件の破れに伴う普遍則の解明KAM条件を破るハミルトン系において、相空間構造を系統的に調べる新しい手法を提案し、リコネクション現象やシアーレストーラスの構造の精密な解析に成功した。また、大域的カオス発生の臨界点をパラメータ空間全域において決定し、臨界点の集合がフラクタルになることを明らかにした。(3)微細構造の生み出す量子カオス効果の解明非可積分ビリヤード系の量子レベル統計におけるベリー・ロブニックパラメータの決定法を新たに提案し、それによって最近接レベル間隔分布関数が、半古典領域ではほぼ完全に決定できることを示した。古典系の分岐現象に伴う微細構造変化が、量子レベル統計の変化に直接反映することを解明した

特定課題研究 【 表示 / 非表示

  • カオティックビリヤードレーザーにおけるシングルモード発振の解明

    2020年  

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    幾何光学として完全カオスであることが数学的に厳密に証明されているカージオイド形状、Bunimovichのスタジアム形状、およびD形状という異なる形状を用いて、完全カオス2次元マイクロキャビティレーザー(カオティックビリヤードレーザー)では、共振器サイズが発振波長よりも十分に大きく、利得媒質への注入エネルギーが十分に大きくなると、1つの共鳴波動関数だけがレーザー発振するシングルモード発振が普遍的に生じる現象であることを明らかにした。さらに、この普遍的シングルモード発振が光線軌道の完全カオスの波動光学的性質としての顕在化であり、共鳴波動関数の量子エルゴード性に起因していることを解明した。

  • 非対称2次元微小光共振器における光線・波動対応

    2019年  

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    2次元形状を有する微小光共振器は、従来の1次元形状のものにはない全く新しいレーザーとしての機能が期待されており、さらに、波動カオスという基礎物理学研究の舞台としても注目されている。本研究課題では、波動カオスにおけるカイラリティについての研究を推進した。完全に非対称な微小光共振器の固有状態の一種である共鳴の波動関数は、一方向の回転成分を多く含むカイラリティという性質がある。完全カオスであることが数学的に厳密に証明されている2種類の2次元形状の微小光共振器の共鳴を境界要素法を用いて数値的に多数求め、光線動力学の不変分布と比較し、波動・光線対応を解明し、光線動力学でもカイラリティが生じることを明らかにした。

  • 完全カオスビリヤードレーザーにおける発振モードの非線形ダイナミクスの研究

    2018年   篠原晋

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    対称性を全く持たない完全非対称なリマソン型マイクロキャビティについて研究し、発振モードの候補となる共鳴には、近縮退するものがカイラルモードペアとして2つ組で存在し、それらが共に時計回りの回転波を主成分とすることを解明した。さらに、この共振器を用いたレーザー発振を数値的に研究し、発振時には、カイラルモードペアがロックすることを解明した。そして、2つの共鳴波動関数の位相の関係により、時計回りだけでなく、反時計回りのモードが発振することも可能であることを明らかにした。

  • 2次元マイクロキャビティレーザーの波動・光線カオスと非線形ダイナミクスの研究

    2018年   篠原晋

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    完全カオスを示す2次元マイクロキャビティレーザーとして、D型およびスタジアム型マイクロキャビティレーザーを数値的に詳しく研究し、両者に共通するレーザー発振特性として、注入電流が十分に大きくなると単一モード発振となることを解明した。また、完全可積分系である楕円型マイクロキャビティレーザーに関しても同様に研究し、注入電流が大きくなっても複数のモードが発振することを解明した。これらの数値的な研究と理論研究によって、単一モード発振が完全カオス型2次元マイクロキャビティレーザーの普遍則であることを明らかにした。

  • 2次元マイクロキャビティレーザーの波動・光線カオスと非線形ダイナミクスの研究

    2017年   篠原晋

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    2次元マイクロキャビテイレーザーの光線軌道のエルゴード性が共鳴波動関数およびレーザー発振に及ぼす効果を解明した。光線軌道の定常確率分布と共鳴波動関数の分布を比較し、Q値の高い多数の共鳴波動関数の平均が光線軌道の定常確率分布と一致することを明らかにした。また、光線軌道がカオスを示す場合には、カオスでない場合よりも、共鳴波動関数の重なりが非常に大きくなることを明らかにした。さらに、レーザー発振に関して、光線軌道がカオスを示す場合にはシングルモード発振となり、そうでない場合はマルチモード発振となることを解明した。

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現在担当している科目 【 表示 / 非表示

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