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Mode-locked quantum-dot lasers and amplifiers: Ultra-short pulse generation, amplification and stabilization

Drzewietzki, Lukas :
Mode-locked quantum-dot lasers and amplifiers: Ultra-short pulse generation, amplification and stabilization.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Mode-locked quantum-dot lasers and amplifiers: Ultra-short pulse generation, amplification and stabilization
Language: English
Abstract:

Die zeitliche Stabilität eines optischen Pulszugs, welcher von einem modengekoppelten Laser erzeugt wird, ist für alle zeitkritischen Anwendungen wichtig. Ein Maß für die zeitliche Instabilität ist die Periodenschwankung. Diese Periodenschwankung hat ihre Ursache primär in der Spontanemission. Um diese Periodenschwankungen zu verringern existiert eine Vielzahl an Stabilisierungsmöglichkeiten. Hierbei spielt die optische Rückkopplung eine wichtige und verbreitete Rolle. Der Einfluss der optischen Rückkopplung auf die Periodenschwankung wurde in der Litaratur experimentell und in numerischen Simulationen untersucht. Eine qualitative als auch quantitative Erklärung der Verringerung der Periodenschwankungen konnte bisher allerdings nicht gefunden werden.

In dieser Arbeit wird eine systematische Untersuchung verschiedener ausgewählter Rückkopplungskonfigurationen und insbesondere der optische Rückkopplung durchgeführt, welche es letztendlich erlaubt, den Mechanismus zu identifizieren und zu quantifizieren, welcher für die Verringerung der Periodenschwankungen verantwortlich ist. Der dabei erhaltene Zugewinn an Wissen wird durch eine Kombination aus speziell ausgewählten Experimenten und durch die Entwicklung eines entsprechenden einfachen und intuitiven Modells und den damit erhaltenen Simulationsergebnissen erreicht.

Dieser Reduktionsmechanismus der Periodenschwankungen wird unter anderem für den wichtigsten Fall der optischen Rückkopplung identifiziert und es kann herausgefunden werden, dass dieser auf zwei Effekten basiert. Einerseits findet eine Wechselwirkung zwischen der zeitlichen Phase des optischen Pulses im Resonator und des rückgekoppelten Pulses statt, welche zu einer gemittelten zeitlichen Phase des resultierenden Gesamtpulses führt. Im Modell wird nur diese eine Wechselwirkung bewusst implementiert. Solch eine Wechselwirkung ist bei hoch entwickelten Modellen automatisch und intrinsisch gegeben. Kohärenz ist für solch eine Wechselwirkung nicht notwendig. Die gemittelte zeitliche Phase des resultierenden Gesamtpulses repräsentiert einen statistischen Effekt welcher sich aus der reduzierten statistischen Korrelation der zeitlichen Phase zwischen beiden Pulsen ergibt, welche ihre Ursache in der langen Verzögerungsdauer der optischen Rückkopplung hat. Diese reduzierte Korrelation resultiert zusammen mit der wechelwirkung der zeitlichen Phase in reduzierten Periodenschwankungen. Die Einfachheit des entwickelten Modells erleichtert im Gegensatz zu hoch entwickelten und damit komplexen Modellen den Erkenntnisgewinn. Insbesondere ermöglichen die meisten Modelle aufgrund der erforderlichen langen Rechenzeiten nicht den Zugang zu der langen Verzögerungsdauer welche erforderlich ist, um den statistischen Effekt des Mechanismus der Periodenschwankungsreduktion zu beobachten.

Neben dieser zeitlichen Stabilität des optischen Pulszugs spielt die Stabilität der Amplitude des Pulszugs eine essentielle Rolle für viele Anwendungen. In der Tat ist die passive Modenkopplung kein automatisch stabiler Prozess, sondern erfordert ein delikates Gleichgewicht einer Vielzahl an Parametern. Solche ungewünschten Amplitudeninstabilitäten äußern sich oft im Güteschalten oder in der gütegeschalteten Modenkopplung und stellen immer noch ein unerwünschtes Phänomen für eine Vielzahl an Lasertypen dar und sind immer noch Gegenstand experimenteller und theoretischer Untersuchungen. Wenn die Amplitudenstabilität eines Lasers nicht durch korrekte Projektierung erreicht werden kann müssen nachträgliche, externe, aktive und aufwändige Maßnahmen durchgeführt werden.

In dieser Arbeit wird eine einfache und passive optoelektrische Schleife präsentiert, untersucht und erklärt, welche in der Lage ist, Amplitudeninstabilitäten passiv modengekoppelter Halbleiterlaser zu reduzieren. Dieser optoelektrischer Ansatz besteht aus einem Hochpassfilter welcher die Aborbersektion des Halbleiterlasers erdet und damit wie ein differentieller Photostromempfänger und Regler wirkt. Die beobachtete Reduktion der Amplitudeninstabilitäten resultiert aus der Reduktion der dynamischen Ansammlung der photoerzeugten Ladungsträger und dämpft damit Niederfrequenzfluktuationen. Hierbei wird die Absorbersektion gleichzeitig als Photodiode und Kontrollelement genutzt indem der ungewünschte photogenerierte Wechselstrom am Absorber geerdet wird. Diese Schaltung kann als differentielle, passive Kontrollschleife angesehen werden, die die änderungen des Photostroms verringert und damit starke Oszillationen der Ausgangsleistung unterdrückt.

Nach der Entwicklung eines Verständnisses der Periodenschwankungen und der Untersuchung der Möglichkeiten der Reduktion dieser Periodenschwankungen als auch durch die Demonstration einer einfachen experimentellen Möglichkeit der Reduktion von Amplitudeninstabilitäten von passiv modengekoppelten Halbleiterlasern kann das erweiterte Potential in Bezug auf die Erzeugung von ultrakurzen Pulsen mit hoher Leistung durch neuartige trapezförmige quantenpunktbasierte modengekoppelte Halbleiterlaser als auch durch neuartige trapezförmige quantenpunktbasierte optischen Verstärker ausgenutzt werden. Das Ziel ist es, Anwendungen erreichen zu können, die im Moment von Festkörperlasern bedient werden. Ein solcher Anwendungsbereich ist die biomedizinische nichtlineare Mikroskopie wobei günstige, kompakte und robuste Pulsquellen für eine weite Verbreitung vorteilhaft wären. Hierbei bieten quantenpunktbasierte Quellen die ideale Wellenlänge um hohe optische Eindringtiefen zu erreichen.

In dieser Arbeit wird die Erzeugung ultrakurzer Pulse durch neuartige gewinngeführte trapezförmige modengekoppelte Halbleiterlaser mit einem Schwerpunkt auf zeitliche Stabilität, Amplitudenstabilität, optische Pulslänge und Pulsspitzenleistung untersucht. Diese gewinngeführten Strukturen bieten den Vorteil einer vereinfachten Herstellung. Weiterhin wird die Verstärkungsfähigkeit neuartiger gewinngeführter trapezförmiger quantenpunktbasierter optischer Verstärker untersucht. Die erzielten Ergebnisse demonstrieren Erzeugung und Verstärkung ultrakurzer Pulse mit Pulsspitzenleistungen die unmittelbares Anwendungspotential bieten.

Neben all diesen systematischen Untersuchungen, der Entwicklung einer verständlichem, nützlichen und simplen aber trotzdem effektiven Stabilisierungsmethode für Amplitudenfluktuationen und der Demonstration der exzellenten Leistungsfähigkeit der neuartigen trapezförmigen quantenpunktbasierten modengekoppelten Laser und optischen Verstärker ergeben sich weitere interessante Untersuchungen für die Zukunft.

Halbleiterbasierte sättigbare Absorberspiegel werden weitläufig genutzt um Modenkopplung von Festkörperlasern zu ermöglichen. Der hier vorgestellte passive elektrische Stabilisierungsansatz könnte für elektrisch kontrollierbare halbleiterbasierte sättigbare Absorberspiegel angewendet werden, um die Stabilisierungseigenschaften dieser Lasersysteme zu untersuchen.

Das entwickelte einfache Modell für die Periodenschwankungen könnte durch Hinzufügen der Simulation von Amplitudeninstabilitäten erweitert werden, um weitere Erkenntnisse der Wechselwirkung von Amplitudeninstabilität und Periodenschwankungen zu untersuchen.

Von der Blickrichtung des Verständnisses aus wäre es spannend zu untersuchen wie sich die optische Rückkopplung auf die Periodenschwankungen in verschiedenen Betriebszuständen des modengekoppelten Lasers auswirkt. Das wird motiviert durch die hier gewonnenen Ergebnisse, die zeigen, wie durch verstimmte optische Rückkopplung die Pulsdynamik untersucht werden kann.

Dadurch, dass quantenpunktbasierte modengekopplete Halbleiterlaser und Verstärker eine reichhaltige Dynamik auf unterschiedlichen Zeitskalen aufweisen, bieten sie die Möglichkeit, diese zu untersuchen als auch die auftretende Amplituden- und Zeitdynamik des erzeugten optischen Pulszugs zu kontrollieren, was einerseits einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden Mechnismen als auch andereseits die Verbesserung der Stabilität des Pulszugs ermöglicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The timing stability or timing jitter (TJ) is an important property of an optical pulse train generated by a mode-locked laser (MLL) for any kind of time critical applications and results from various intrinsic sources. To reduce the TJ of MLL a variety of possibilities exists. Hereby, all-optical feedback (AO FB) plays an important role. The effects of long-delay AO FB on TJ were investigated in literature in experiment and in numerical simulations for various types of active gain media of semiconductor laser (SCL). However, a qualitative and quantitative explanation of the origin of this TJ reduction was not provided so far. In this work a systematic investigation of various selected feedback schemes has been performed allowing to identify and quantify the mechanism of the beneficial effect of these schemes and in particular of the AO FB on TJ. This gain of knowledge is achieved by a combination of specifically selected experiments together with the development of a corresponding simple comprehensive model and corresponding simulations. The mechanism of TJ reduction is identified for the most important case of AO FB and is found to be attributed to a two-fold effect. First a timing-interaction of intra-cavity pulse and weak feedback (FB) pulse occurs leading to an averaged timing of both pulses. Here, this interaction is intentionally implemented in contrast to sophisticated models which automatically provide such interaction. For this timing-interaction, coherence of both pulses is not necessary. Second, this averaged timing represents a statistical effect exploiting the reduced timing correlation of both pulses due to the long delay. Both, the timing interaction and reduced correlation of timing noise result in a reduced overall TJ. The simplicity of the developed model is beneficial in terms of initial understanding in comparison to models describing all features of a MLL. In particular most models reported in literature cannot access the long delay which is required to be able to observe this statistical mechanism of TJ reduction. Besides the mentioned timing stability also the amplitude stability is essential for most applications. Indeed, passive mode locking (ML) is not an automatically stable process but requires a delicate balance of a variety of parameters. Undesired amplitude instabilities often manifest in Q-switching (QS) or Qswitched mode-locking (QS ML) and are still a concern for a variety of types of MLL and are investigated in experiment and theory throughout literature. If stability is not achieved by design subsequent external, active and complex measures of stabilization have to be taken. In this work a simple and passive opto-electrical control-loop is presented, investigated and explained which is able to suppress or eliminate amplitude instabilities for passively mode-locked SCL. This optoelectrical approach consists of a high-pass filter grounding the absorber section therefore representing a differential photo-current detector and control element. The observed suppression is attributed to the reduction of dynamic accumulation of photo generated carriers and thus effectively damps low-frequency fluctuations. Hereby, the absorber section is exploited both as a photo-diode and a control element of the MLL by grounding the undesired absorber AC photo-current. This circuit may also be understood as a differential passive control loop suppressing changes of the photo-current thus preventing strong oscillations. Having developed an understanding of the TJ and of the possibilities of TJ reduction and having developed an efficient but simple way to eliminate or reduce amplitude instabilities of MLL the increased potential of novel tapered quantum-dot (QD) based MLLs and semiconductor optical amplifiers (SOAs) can be accessed in terms of pulse-width and peak power. Based on this work one important target of recent QD based pulse emitters can be pursued by accessing applications that are currently covered by solid-state laser (SSL) by generation of ultra-short high peak power pulses. One such application range is bio-medical nonlinear microscopy where cheap, compact and robust pulse sources are beneficial for widespread use of such techniques. Hereby, QD based MLL offer the ideal wavelength range allowing for deep penetration depths. In this work, the generation of ultra-short pulses by novel gain-guided tapered MLL is investigated with an emphasis on stability, pulse-width and peak power. These gain-guided structures offer the benefit of a simplified fabrication process. Furthermore, amplification performance of novel gain-guided tapered SOAs is investigated. The obtained results demonstrate generation and amplification of ultra-short pulses towards peak-power values which offer immediate application potential. Besides all the systematic investigations, the development of comprehensive beneficial knowledge in the area of TJ, the realization of a directly applicable and simple but effective stabilization method for mode-locked SCL and a demonstration of excellent performance of novel tapered QD based MLL and SOAs even further investigations are suggested relying on the performed work. Passive semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) are commonly used for ML of SSL. The presented passive electrical approach may be applied to active electrically controllable SESAMs to investigate potential stabilization properties of these systems. The simple model could be extended by inclusion of simulation of amplitude noise to gain further insights in the interplay of amplitude and timing instabilities. From an understanding point of view it would be highly interesting to investigate how AO FB affects TJ in various ML regimes. This is motivated by the demonstrated results showing the potential to experimentally unveil internal pulse dynamics by detuned AO FB. Exhibiting a wide variety of interesting dynamics on different time-scales, QD based MLLs and SOAs offer the possibility to investigate as well as to control the amplitude and timing dynamics of the generated ultra-short optical pulse train leading to a deeper insight of the underlying mechanisms and to provide improvements in stability.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Quantenpunkte, Halbleiterlaser, Halbleiterverstärker, ultrakurze optische Pulse, Pulsspitzenleistung, passive Modenkopplung, Pulserzeugung, Pulsverstärkung, opto-elektrische Stabilisierung, Umlaufperiodenschwankungen, Reduktion der Umlaufperiodenschwankungen, optische Rückkopplung, Laserdynamik, Modellierung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Quantum-dots, Semiconductor laser, semiconductor optical amplifier, ultrashort optical pulses, pulse peak power, passive mode-locking, pulse generation, pulse amplification, opto-electrical stabilization, timing-jitter, timing-jitter reduction, optical feedback, laser dynamic, modelingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 06 Aug 2015 13:21
Last Modified: 06 Aug 2015 13:21
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46759
Referees: Elsäßer, Prof. Wolfgang and Walther, Prof. Thomas
Refereed: 16 February 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4675
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