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Dual-wavelength control via phase-controlled optical feedback

Pawlus, Robert (2020):
Dual-wavelength control via phase-controlled optical feedback.
Darmstadt, Vrije Universiteit Brussel, Belgium & Technische Universität Darmstadt, Germany, DOI: 10.25534/tuprints-00011917,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dual-wavelength control via phase-controlled optical feedback
Language: English
Abstract:

Lasers with the capability to emit simultaneously at two distinct wavelengths - so-called dual-wavelength lasers - are highly desirable in several applications ranging from data communication, to the field of THz or sensing, but remain challenging to manufacture. Current solutions can typically be categorized in two groups. On the one hand, external forcing can be used to make a largely multi-mode laser emit at only two wavelengths. These are highly versatile and flexible solutions, but are typically obtained through complex and/or bulky setups. On the other hand, laser structures with intrinsic wavelength selection appear to be way more robust but suffer from a lack of external control and flexibility; in short, these devices cannot be fine-tuned. In this PhD thesis, we propose, implement and experimentally demonstrate a simple technique for controlling the output of dual-wavelength lasers relying on a compact external structure that can be easily integrated monolithically with the laser.

This new technique is based on the Fabry-Perot effect of a phase controlled external feedback cavity. In short, the external cavity will slightly boost resonant modes while the non-resonant modes will see a slight increase of their losses. The phase control then allows to select the resonating modes. As a result, setting the feedback cavity length to ensure that the two distinct wavelengths emitted by the lasers are out-of-phase after a cavity round trip allows to selectively boost or suppress one or the other wavelength on demand.

To demonstrate the feasibility and relevance of the approach, we have first designed and implemented dual-wavelength lasers on a Photonic Integrated Circuit (PIC), using a generic foundry platform. Because the proposed control technique would have the advantage of being particularly compact, we rely on Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as wavelength selective elements of the laser, thus obtaining a compact laser as well. We have designed different lasers using DBRs, placed sequentially or in parallel, to achieve dual-wavelength emission combined with a broadband reflector or a third DBR. We then coupled these devices with specifically designed external cavities including an electro-optic phase modulator and a semiconductor optical amplifier in order to control both, the feedback strength and the feedback phase.

After a detailed characterization of the dual-wavelength lasers and, in particular, a confirmation that these were indeed successfully emitting at two distinct wavelengths, we have then explored the effect of the phase controlled optical feedback on the laser emission. Thus, we were able to confirm that the proposed technique could be consistently used to achieve complete extinction of each mode with suppression ratios as high as 50 dB. Despite varying performances across the different devices, the switching appeared to be particularly robust against most experimental variables. Moreover, we have recorded switching times below 4 ns, which appeared to be mostly limited by the own response time of the phase modulator, and which could potentially be reduced below the nanosecond timescale making it one of the fastest switching techniques currently available. Next, we have investigated the limitations of both the dual-wavelength laser and the control technique. Taking advantage of the large amount of measurements performed across several PICs and lasers, combined with a thorough numerical exploration of the parameter space, we were able to identify different directions of research for further optimizations. Improvements of the DBRs could lead to an improved wavelength tunability that the external cavity could withstand, while the laser and external cavity structure could potentially be optimized to achieve higher output power, higher side mode suppression ratio and a more compact design. Last, but not least, the current results strongly suggest that going from dual to multi (≥ 3) wavelength lasers could be realistically considered without significant conceptual changes.

To conclude, in this thesis, we propose a new solution to control dual-wavelength lasers through a highly compact and efficient external structure which allows to balance or switch the wavelength emission at will using a single control parameter: the optical feedback phase.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Laser mit der Fähigkeit gleichzeitig auf zwei Wellenlängen zu emittieren sind in verschiedenen Anwendungen, ausgehend von der Datenkommunikation über das Gebiet der THz Generierung bis hin zu optischen Messeinrichtungen äußerst attraktiv, ihre Herstellung erweist sich jedoch als schwierig. Aktuelle Lösungen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Einerseits kann externes triggern verwendet werden, um einen multi-modalen Laser auf nur zwei Wellenlängen emittieren zu lassen. Diese Lösungen sind äußerst vielseitig und flexibel, benötigen jedoch in der Regel ausreichend Platz und resultieren in komplexen Aufbauten. Andererseits scheinen Laserstrukturen mit intrinsischer Wellenlängenselektion robuster zu sein, jedoch mangelt es ihnen an externer Kontrolle und Flexibilität, da sie nicht feinabgestimmt werden können. In dieser Doktorarbeit wird eine einfache Methode zur Steuerung der Ausgangsleistung von Lasern mit zwei Wellenlängen vorgeschlagen, implementiert sowie experimentell demonstriert. Dabei wird eine kompakte externe Kavität verwendet, die monolithisch mit dem Laser integriert werden kann. Dieser neue Ansatz basiert auf dem Fabry-Perot-Effekt einer phasen-gesteuerten externen Rückkopplung. Resonante Moden werden durch die externe Kavität bevorzugt, während die anti-resonanten Moden erhöhte Verluste erleiden. Die Phasensteuerung ermöglicht dann die Auswahl der resonanten Moden. Durch justieren der Kavitätslänge kann sichergestellt werden, dass die zwei von dem Laser emittierten Wellenlängen nach einem Durchlauf der externen Kavität phasenverschoben sind und entweder die eine oder die andere Wellenlänge bei Bedarf selektiv bevorzugt oder unterdrückt werden kann. Um die Machbarkeit und Relevanz des Ansatzes zu demonstrieren, werden zunächst Laser mit zwei Wellenlängen auf einem optischen integrierten Schaltkreis unter Verwendung einer generischen Plattform entworfen und implementiert. Die vorgeschlagene Steuerungsmethode hat den Vorteil besonders kompakt zu sein, um auch Kompaktheit für die Laser zu erreichen, werden Bragg-Reflektoren als wellenlängenselektive Elemente genutzt. Verschiedene Laser wurden unter der Verwendung dieser Reflektoren entwickelt, die entweder sequentiell oder parallel angeordnet sind, um eine Emission auf zwei Wellenlängen in Kombination mit einem Breitbandreflektor oder einem dritten Bragg-Reflektor zu erzielen. Diese Laser wurden dann mit individuell angepassten externen Kavitäten gekoppelt, einschließlich eines elektrooptischen Phasenmodulators und eines optischen Halbleiterverstärkers, um sowohl die Rückkopplungsstärke als auch die Rückkopplungsphase zu steuern. Nach einer detaillierten Charakterisierung der Laser und insbesondere einer Bestätigung, dass diese tatsächlich auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen emittieren, wurde der Effekt der phasengesteuerten optischen Rückkopplung auf die Laseremission untersucht. Auf diese Weise konnte die vorgeschlagene Methode in unterschiedlichen Lasern experimentell demonstriert werden, um eine vollständige Unterdrückung der Wellenlängen mit Unterdrückungsverhältnissen von bis zu 50 dB zu erreichen. Trotz unterschiedlicher Leistungen der verschiedenen Laser war das Schalten gegenüber den meisten experimentellen Variablen robust. Darüber hinaus konnten Schaltzeiten von unter 4 ns demonstriert werden, die größtenteils durch die eigene Reaktionszeit des Phasenmodulators begrenzt zu sein scheinen und die möglicherweise unter die Nanosekunden-Zeitskala reduziert werden könnten, was ihn zu einer der schnellsten derzeit verfügbaren Schalttechniken macht. Als nächstes wurden die Einschränkungen sowohl des Zweiwellenlängenlasers als auch der Steuerungsmethode untersucht. Dank einer Vielzahl von Messungen, die an mehreren optischen integrierten Schaltkreisen und Lasern durchgeführt wurden, sowie einer theoretischen Untersuchung des Parameterraums, konnten unterschiedliche Aspekte für weitere Optimierungen identifiziert werden. Verbesserungen der Bragg-Reflektoren könnten zu einer besseren Abstimmbarkeit der Wellenlängen führen, die die externen Kavität kompensieren könnte, während die Laser- und externe Kavität optimiert werden könnten um eine höhere Ausgangsleistung, ein höheres Unterdrückungsverhältnis für die Seitenmoden und ein kompakteres Design zu erzielen. Zuletzt deuten die aktuellen Ergebnisse darauf hin, dass der Übergang von Lasern mit zwei zu mehreren Wellenlängen (≥ 3) ohne wesentliche konzeptionelle Änderungen in Betracht gezogen werden könnte. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit eine neue Methode zur Steuerung von Lasern mit zwei Wellenlängen durch eine kompakte und effiziente externe Kavität vorgeschlagen, die es ermöglicht die Wellenlängenemission nach Belieben mithilfe eines einzigen Steuerparameters auszugleichen oder umzuschalten: der optischen Rückkopplungsphase.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Semiconductor Optics Group
Date Deposited: 06 Aug 2020 12:05
Last Modified: 06 Aug 2020 13:25
DOI: 10.25534/tuprints-00011917
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-119177
Referees: Rolain, Prof. Dr. Yves and Vounckx, Prof. Dr. Roger and Vermeulen, Prof. Dr. Nathalie and Bente, Prof. Dr. Erwin and Hong, Dr. Yanhua and Liebchen, Prof. Dr. Benno and Virte, Prof. Dr. Martin and Thienpont, Prof. Dr. Hugo and Breuer, Priv.-Doz. Stefan
Refereed: 15 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11917
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