Drzewietzki, Lukas (2015)
Mode-locked quantum-dot lasers and amplifiers: Ultra-short pulse generation, amplification and stabilization.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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