VCSEL-based optical frequency comb generation, expansion and optimization: an experimental study

Repositorio e-Archivo

Mostrar el registro sencillo del ítem

dc.contributor.advisor Dios Fernández, Cristina de
dc.contributor.author Prior Cano, Estefania
dc.date.accessioned 2016-12-14T15:01:10Z
dc.date.available 2016-12-14T15:01:10Z
dc.date.issued 2016-09
dc.date.submitted 2016-09-08
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/23952
dc.description Esta tesis contiene artículos de investigación en anexo
dc.description.abstract Las fuentes ópticas multimodo o peines en frecuencia (Optical Frequency Comb o OFC) han sido y son objeto de investigación en los últimos años dado que ofrecen numerosas posibilidades en diferentes campos como espectroscopía, comunicaciones ópticas, generación de terahercios, generación de señales arbitrarias ópticas, metrología o generación óptica de señales de radiofrecuencia. Los OFC son sistemas típicamente basados en equipos de sobremesa y componentes a medida, obteniendo sistemas robustos y señales de alta calidad pero difíciles de implementar y reproducir al mismo tiempo. Algunas de las aplicaciones de los OFCs tienen como elementos clave la eficiencia en tamaño, coste y consumo, de manera que es importante obtener combs con capacidades más moderadas pero que, a su vez, sean sistemas más flexibles, compactos y fáciles de implementar. Para ello, centramos nuestra atención en sistemas OFCs realizados con componentes comerciales que sean útiles para aplicaciones como generación de THz o espectroscopía. Para mantener estos objetivos, hemos elegido la generación de combs directa en diodos láser (laser diodes o LDs), dado que el OFC es creado en el interior de la cavidad láser sin necesidad de añadir componentes extra ni aumentar excesivamente la potencia necesaria por el sistema. Entre los diodos láser, los láseres de emisión superficial y cavidad vertical (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers o VCSELs) son un tipo de láseres de diodo que han experimentado una gran evolución en los últimos años debido a las características que presentan: los VCSELs son dispositivos de bajo coste y pequeño tamaño, por lo que ofrecen la posibilidad de ser modulados a altas frecuencias con muy poco consumo de potencia. En este trabajo se estudiará el uso de láseres VCSEL (1550nm 10Gbps VCSELs fabricados por Vertilas GmbH) como elemento base de los OFCs utilizando una técnica de modulación no lineal conocida como Gain Switching (GS). Gracias a la modulación GS, el comb generado hereda el ruido del equipo usado para la modulación, obteniendo así alta correlación de fase entre sus modos. Con el dispositivo VCSEL bajo GS se ha obtenido un comb de hasta 135GHz de ancho en los 20dB superiores del espectro, llamado VCSEL-OFC. Los resultados presentados en esta Tesis demuestran que el uso de VCSELs permite la generación de combs más anchos y planos que con otras tecnologías y record en bajo consumo de energía. El comportamiento del VCSEL bajo GS se comparará con un sistema similar usando otro tipo de fuente láser que ha sido usado con buenos resultados anteriormente, un láser Discrete Mode, también bajo régimen GS. Sin embargo, el VCSEL-OFC sigue limitando su aplicación en algunos campos de nuestro interés como síntesis de THz o espectroscopía dado que necesitan combs más anchos. Esto fundamentó otro de los aspectos clave de este trabajo: la expansión de los combs, usando el VCSEL-OFC como semilla. Tres técnicas para expandir el VCSEL-OFC han sido implementadas, basándonos en fibras altamente no lineales (Highly Nonlinear Fibers, HNLF), lazos ópticos no lineales (Nonlinear Optical Loop Mirrors, NOLM) y moduladores Electro- Ópticos (EO). Con estos sistemas hemos expandido el comb resultante un factor 3, obteniendo combs de alrededor de 450GHz y manteniendo alta correlación entre modos. Posteriormente, dos de estas etapas de expansión, EO y HNLF, han sido implementadas en cascada para aunar sus efectos y se ha conseguido un comb de 1THz de ancho a 20dB, según nuestro conocimiento, el comb más ancho conseguido usando fuentes VCSELs y tecnologías disponibles comercialmente. Este comb es extraordinariamente ancho pero, sin embargo, necesita ser estudiado con más detalle para mejorar otras de sus características como la igualdad de potencia entre los modos considerados (flatness) o el rango dinámico. Por ello, para profundizar en el conocimiento del VCSEL como fuente para generar combs y así optimizar el VCSEL-OFC y todas sus expansiones implementadas, se ha realizado un estudio más profundo de dicho comb en relación a sus componentes de polarización. Los VCSELs típicamente se consideran fuentes monomodo pero tienen un segundo modo con polarización linear y ortogonal. Este modo es residual y se reduce su efecto durante la fabricación de la cavidad pero hemos comprobado que genera un comb residual, con menor potencia y este comb juega un papel fundamental si se equilibraran las potencias de ambos modos de polarización. Además, el uso de GS para la generación del comb hace que tanto los modos del comb principal como de este comb residual tienen alta correlación de fase. Para equilibrar las potencias de ambos modos de polarización, hemos incluido en nuestros experimentos la técnica de inyección (Optical Injection Locking, OIL) en la que una luz externa se inyecta en el láser para mejorar la señal a la salida. Jugando con la polarización de la señal inyectada, hemos conseguido equilibrar los combs correspondientes a ambos estados de polarización y también suprimir uno de ellos manteniendo únicamente el otro. En conclusión, un tipo de diodo laser de emisión vertical, VCSEL, ha sido evaluado para generación de peines ópticos multifrecuenciales. Para ello, se ha estudiado su comportamiento bajo GS, optimizando el ancho del comb generado. Posteriormente, se han implementado distintas técnicas para expandir y optimizar dichos combs. Los resultados han sido significativos, teniendo en cuenta el ancho del comb con respecto a la potencia necesaria y el coste y complejidad de los sistemas. Los combs basados en VCSELs prometen ser dispositivos a tener en cuenta para implementaciones de combs versátiles y compactos de bajo coste y bajo consumo de energía.
dc.description.abstract Optical Frequency Combs (OFCs) are versatile systems and therefore many researchers have been interested in them during the last years as they open possibilities in a large variety of fields like spectroscopy, optical communications, THz generation, optical arbitrary waveform generation, metrology, or microwave photonic. OFCs systems are typically based on bench top lasers sources, often built with tailored components which make them robust and powerful but complex and difficult to reproduce at the same time. Some of the fields of application of OFCs do not need that bespoke systems but, on the contrary, more straightforward, flexible and compact systems are needed for applications aiming for size, cost and energy efficient set- ups. These features can be further enhanced by using only Off the Shelf components obtaining suitable combs for applications like THz generation or spectroscopy. This is the approach in which our attention is centered. Trying to maintain this idea as the horizon of this work, direct OFC generation in laser diodes (LDs), in which the comb is generated inside the LD cavity, has been the focus of the present work. With such an approach, the component count is not increased and the energy consumption remains low. Among the numerous laser diode technologies available, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) are cost effective devices with small size. On top of this, they offer high speed capabilities with a very small amount of injected power. These special features are the reason why, in this work, VCSELs (1550nm 10Gbps VCSELs from Vertilas GmbH) are analyzed as the main source to be used for comb generation based on a well stablished nonlinear radio-frequency modulation technique: Gain Switching (GS). Thanks to the GS regime, an optical comb is generated with a very special feature: its modes inherit the stability of the radio-frequency source used for the laser modulation. Hence, the resulting comb exhibits a very high correlation between its modes. With this, a comb of 135GHz in the 20dB span is generated (VCSEL-OFC). The results presented in this Thesis demonstrate that the use of high performance VCSELs permits the generation of very flat optical combs with enhanced optical span and record energy efficiency. The VCSEL performance to generate OFCs is compared in this study to a different type of LD source: Discrete Mode (DM) laser under GS. The results showed that VCSEL-OFC is significantly broader than the comb obtained with other LD technologies under GS. However, the overall optical span that VCSEL based combs provide still needs to be increased to match the majority of the applications targeted. Especially for THz generation or dual-comb spectroscopy, two of the applications that launched our interest in LD combs, this is an important issue. Finding a way to overcome this limitation was the beginning of another of the key studies presented here. The expansion of the VCSEL-OFC, the seed comb. For this purpose, three different expansion techniques were implemented to increment the total span: Highly Nonlinear Fibers (HNLF), Nonlinear Optical Loop Mirrors (NOLM) and Electro-Optic (EO) Modulators. The resulting combs are 3 times broader than the seed VCSEL-OFC, thus combs around 450GHz in the 20dB span have been achieved maintaining high correlation between the comb lines. Subsequently, two of these expansion techniques, the EO and HNLF, have been cascaded to join their expansion effects and a comb of 1THz in the 20dB span has been generated, which is, to our knowledge, the broadest comb achieved using LDs and off the Shelf components. Even when this comb is remarkably broad some other features should be improved: the flatness and the dynamic range. Then, more efforts should be done to study the nature of the VCSEL-OFC. In order to deepen into the VCSEL knowledge for comb generation, to optimize both the VCSEL-OFC and the expansion stages implemented, polarization dynamics studies on the VCSEL in CW emission and the VCSEL under GS were performed. VCSELs are considered monomode laser sources but they present a residual orthogonally polarized mode whose emission is suppressed during fabrication. However, we observed that this residual mode also generates a comb that could play an important role. Using GS for the generation provides high phase correlation among the teeth in the main comb and also in this orthogonally-polarized residual comb. Trying to achieve a balance between both polarization components, Optical Injection Locking (OIL) was implemented. Playing with the injected state of polarization, the combs correspondent to the two states of polarization in VSCELs were balanced and the resulting comb was slightly broader and flatter. Also, one of the optical combs could be enhanced suppressing the other state of polarization with OIL. To conclude, Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs) have been evaluated for optical frequency comb generation. For this, their behavior under GS has been studied, focusing on the optimization of the optical span. Subsequently, different techniques for comb expansion and optimization have been implemented obtaining remarkable results, taking into account the optical span, the energy needs and the complexity of the set-ups. For all this, VCSELs are devices to be used to build versatile, compact, low cost and low energy consumption comb generation systems.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/17595
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/24210
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/24226
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/24241
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/24259
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/24052
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/26130
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Optical Frequency Comb
dc.subject.other Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL)
dc.subject.other Spectroscopy
dc.subject.other Electro-Optics
dc.subject.other Highly Nonlinear Fiber
dc.subject.other Nonlinear Optical Loop Mirror
dc.subject.other Optical Injection Locking
dc.subject.other Cost Off the Shelf component
dc.subject.other Energy efficiency
dc.title VCSEL-based optical frequency comb generation, expansion and optimization: an experimental study
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Electrónica
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática
dc.description.responsability Presidente: Víctor Torres Company.- Secretario: Ana Quirce Teja.- Vocal: Borja Vidal Rodríguez
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de. Tecnología Electrónica
 Find Full text

Ficheros en el ítem

*Click en la imagen del fichero para previsualizar.(Los elementos embargados carecen de esta funcionalidad)


El ítem tiene asociada la siguiente licencia:

Este ítem aparece en la(s) siguiente(s) colección(es)

Mostrar el registro sencillo del ítem