Low Noise And Low Repetition Rate Semiconductor-based Mode-locked Lasers

The topic of this dissertation is the development of low repetition rate and low noise semiconductor-based laser sources with a focus on linearly chirped pulse laser sources. In the past decade chirped optical pulses have found a plethora of applications such as photonic analogto-digital conversion, optical coherence tomography, laser ranging, etc. This dissertation analyzes the aforementioned applications of linearly chirped pulses and their technical requirements, as well as the performance of previously demonstrated chirped pulse laser sources. Moreover, the focus is shifted to a specific application of the linearly chirped pulses, timestretched photonic analog-to-digital conversion (TS ADC). The challenges of surpassing the speeds of current electronic converters are discussed, while the need for low noise linearly chirped pulse lasers becomes apparent for the realization of TS ADC. The experimental research addresses the topic of low noise chirped pulse generation in three distinct ways. First, a chirped pulse (Theta) laser with an intra-cavity Fabry-Pérot etalon and a long-term referencing mechanism is developed that results in the reduction of the pulse-topulse energy noise. Noise suppression of \u3e 15 times is demonstrated. Moreover, an optical frequency comb with spacing equal to the repetition rate (≈100 MHz) is generated using the etalon, resulting in the first reported demonstration of a system operating in the sub-GHz regime based on semiconductor gain. The path for the development of the Theta laser was laid by the precise characterization of the etalon used in this laser cavity design. A narrow linewidth laser is used in conjunction with an acousto-optic modulator externally swept for measuring the etalon\u27s iv free spectral range with a sub-Hz precision, or 10 parts per billion. Furthermore, the measurement of the etalon long-term drift and birefringence lead to the development of a modified intra-cavity Hänsch-Couillaud locking mechanism for the Theta laser. Moreover, an external feed-forward system was demonstrated that aimed at increasing the temporal/spectral uniformity of the optical pulses. A complete characterization of the system is demonstrated. On a different series of experiments, the pulses emitted by an ultra-low noise but high repetition rate mode-locked laser were demultiplexed resulting in a low repetition rate pulse train. Experimental investigation of the noise properties of the laser proved that they are preserved during the demultiplexing process. The noise of the electrical gate used in this experiment is also investigated which led into the development of a more profound understanding of the electrical noise of periodical pulses and a mechanism of measuring their noise. The appendices in this dissertation provide additional material used for the realization of the main research focus of the dissertation. Measurements of the group delay of the etalon used in the Theta laser are presented in order to demonstrate the limiting factors for the development of this cavity design. The description of a balancing routine is presented, that was used for expanding the dynamic range of intra-cavity active variable delay. At last, the appendix presents the calculations regarding the contribution of various parameters in the limitations of analog-todigital conversion

A picogram and nanometer scale photonic crystal opto-mechanical cavity

We describe the design, fabrication, and measurement of a cavity opto-mechanical system consisting of two nanobeams of silicon nitride in the near-field of each other, forming a so-called "zipper" cavity. A photonic crystal patterning is applied to the nanobeams to localize optical and mechanical energy to the same cubic-micron-scale volume. The picrogram-scale mass of the structure, along with the strong per-photon optical gradient force, results in a giant optical spring effect. In addition, a novel damping regime is explored in which the small heat capacity of the zipper cavity results in blue-detuned opto-mechanical damping.Comment: 15 pages, 4 figure

External Cavity Mode-locked Semiconductor Lasers For The Generation Of Ultra-low Noise Multi-gigahertz Frequency Combs And Applications In Multi-heterodyne Detection Of Arbitrary Optical Waveforms

The construction and characterization of ultra-low noise semiconductor-based mode-locked lasers as frequency comb sources with multi-gigahertz combline-to-combline spacing is studied in this dissertation. Several different systems were built and characterized. The first of these systems includes a novel mode-locking mechanism based on phase modulation and periodic spectral filtering. This mode-locked laser design uses the same intra-cavity elements for both mode-locking and frequency stabilization to an intra-cavity, 1,000 Finesse, Fabry-Pérot Etalon (FPE). On a separate effort, a mode-locked laser based on a Slab-Coupled Optical Waveguide Amplifier (SCOWA) was built. This system generates a pulse-train with residual timing jitter o

Fourierdomänen modengekoppelte Laser: Aufklärung der Funktionsweise und Erschließung neuer Anwendungsbereiche

Mit der Fourierdomänen Modenkopplung (FDML) wurde vor kurzem ein neuer Operationsmodus für sehr schnell in der Wellenlänge abstimmbare Laser entdeckt, bei dem ein schmalbandiger Spektralfilter resonant zur Lichtumlaufzeit im Resonator abgestimmt wird. Diese FDML-Laser, deren genaue Funktionsweise noch unverstanden ist, gehören zu den schnellsten weit abstimmbaren Lichtquellen und eignen sich besonders für die optische Kohärenztomografie (OCT), die ein junges dreidimensionales Bildgebungsverfahren darstellt. In dieser Arbeit wurden zwei Ziele parallel verfolgt. Zum einen sollten durch Optimierungen und Erweiterungen des Lasers neue Anwendungsmöglichkeiten insbesondere in der OCT ermöglicht, gleichzeitig aber auch neue Erkenntnisse über die genaue Funktionsweise der Fourierdomänen Modenkopplung auf physikalischer Ebene gewonnen werden. In dem eher anwendungsorientierten Teil dieser Arbeit wurde zunächst eine neue Methode entwickelt, mit der es in der OCT mit schnell abstimmbaren Lasern möglich ist, zweidimensionale Schnitte bei einer bestimmten Tiefe, sogenannte en face Schnitte, ohne aufwändige Computerberechnung zu erhalten. Während diese Schnitte bisher nur sehr rechenintensiv durch Nachbearbeitung und Extraktion aus einem vollständig aufgenommenen dreidimensionalen Datensatz gewonnen werden konnten, lassen diese sich nun um ein Vielfaches schneller aufnehmen und darstellen. Weiterhin wurde durch den Eigenbau eines auf Abstimmgeschwindigkeit optimierten Spektralfilters die Aufnahmegeschwindigkeit eines mit einem FDML-Laser betriebenen OCT-Systems um über eine Größenordnung erhöht, so dass dieses nun mit Abstand zu den schnellsten Systemen gehört. Obwohl bei diesen hohen Geschwindigkeiten das Signal-Rausch-Verhältnis durch Schrotrauschen bereits limitiert wird, konnten Aufnahmen sehr hoher Qualität erzeugt werden, was a priori nicht selbstverständlich war. Im Grundlagenteil dieser Arbeit wurde das Verständnis der Operationsweise der Fourierdomänen Modenkopplung erweitert. Da FDML-Laser vollständig aus Glasfaserkomponenten aufgebaut sind und Längen von mehreren Kilometern aufweisen, wurde der Einfluss der Faserdispersion auf sowohl Linienbreite und Rauschverhalten untersucht. Mit einer speziellen dispersionskompensierten Resonatorgeometrie konnte dabei ein einfaches Modell des Einflusses der Dispersion auf die Kohärenzlänge validiert und eine deutliche Erhöhung dieser erreicht werden. Ein umfassenderes Modell der Operationsweise von FDML-Lasern ist wünschenswert, um experimentell schwer zugängliche Fragestellungen beantworten zu können. Auf dem Weg dahin müssen zunächst alle physikalischen Effekte im Resonator, welche zur Lasertätigkeit beitragen, aufgeklärt werden. Hierzu wurde die zeitabhängige Leistung eines FDML-Lasers durch verschiedene Terme in der nichtlinearen Schrödingergleichung modelliert, numerisch ausgewertet und mit experimentellen Daten verglichen. Dadurch konnten wichtige an der Laseroperation beteiligte Prozesse aufgeklärt und eine Basis für weitergehende Simulationen geschaffen werden

Photonic Time-Stretch Enabled High Throughput Microwave and MM-Wave Interferometry Applied to Fibre Grating Sensors and Non-Contact Measurement

The research presented in this thesis is focused towards developing real-time, high-speed applications, employing ultrafast optical microwave generation and characterisation techniques. This thesis presents a series of experiments wherein mode-locked laser pulses are utilised. Photonics-based microwave and MM-Wave generation and detection are explored and employed for applications pertaining to fibre grating sensors and non-contact measurement. The application concepts leverage techniques from optical coherence tomography and non-destructive evaluation of turbid media. In particular, I use the principle of dispersion-induced photonic Time-Stretch to slow down high-speed waveforms to speeds usable by state-of-the-art photo-detectors and digital signal processors. The concept of photonic time-stretch is applied to map instantaneous microwave frequency to the time instant of the signal, which in turn is related to spatial location as established by the space-wavelength-time conversions. The experimental methods applied throughout this thesis is based upon Michelson interferometer architecture. My original contribution to knowledge is the realisation of Photonics-based, single tone, and chirped microwave and MM-Wave pulse generation applied to deciphering physical strain profile along the length of a chirped fibre Bragg grating employed in a Michelson interferometer configuration. This interrogation scheme allows intra-grating high-resolution, high-speed, and temperature independent strain measurement. This concept is further extended to utilise photonic generation of microwave pulses to characterise surface profile information of thin film and thin plate infrared transparent slides of variable thickness setup in a Michelson interferometer architecture. The method basis for photonically generated high-frequency microwave signals utilises the principle of photonic Time-Stretch. The research was conducted in the Photonics Lab at the University of Kent. In addition, the photonically generated microwave/ MM-Wave pulses is utilised as a potential broadband frequency-swept source for non-contact measurement of turbid media. Investigation of the proof-of-concept based on an MM-Wave coherence tomography set-up is implemented at Vrije Universiteit Brussel (VUB), Department of Electronics and Informatics (ETRO)