Study of the generation of optical pulses by mode-locking in semiconductor lasers for applications in LiDAR Systems

Abstract

[eng] The present work constitutes a study on the generation and control of optical pulses in different kind of semiconductor lasers and their potential application to remote measurement systems. First, a brief introduction to the techniques most commonly used for the realization of remote measurements by light will be made and the benefits with which semiconductor lasers can contribute to these techniques in both continuous and pulsed emission will be justified. Next, it will be described the generation of pulse trains that takes place in an experimental assembly formed by a vertical cavity surface emitting laser with emission at 980 nm in an external cavity configuration through two mechanisms: cross-reinjection of polarization in the laser and mode-locking by coupling the laser to a resonant saturable absorber mirror. The possibility of controlling the number of pulses in the train through the electrical modulation of the laser bias current will be studied and the capacity of generating different pulse patterns by activating and deactivating the electrical modulation will be demonstrated. Next, an adaptation of the mentioned experimental assembly will be carried out in which the propagating medium for light will be changed from being air to optical fiber. A first fiber laser assembly will be studied consisting in a unidirectional ring configuration in which the gain medium will be a semiconductor optical amplifier with emission at 1550 nm and, almost exclusively, in a single polarization. Under this scheme, it will be pursued to reproduce the generation of pulses under the same mechanisms previously exposed for the system emitting at 980 nm and it will be shown how the pulses obtained with this system can be used to perform ranging measurements. The relevant role played by the evolution of the polarization in its trip along the optical fiber in the previous configuration and the difficulty on its deterministic control will lead to the exploration of new topologies for the experimental configuration of the fiber laser. A configuration of two coupled loops, known as a figure-ofeight and formed by polarization-maintaining fibers, capable of generating different highly stable pulse train regimes, having a width of the order of femtoseconds, will be described through the variation of the laser bias current. Finally, the construction of a fully optical reinjection branch added to the experimental assembly will allow the selection of a single pulse of the train and its subsequent reinjection in it will be described, and the possibility of erasing a previously written pulse will also be demonstrated. The ability to write and delete multiple pulses on the train at will proves their nature as temporal localized structures and demonstrates the possibility of using such a system as an all-optical generator of arbitrary ultra-short pulse patterns.

[spa] El presente trabajo constituye un estudio sobre la generaci´on y control de pulsos ´opticos en diferentes tipos de l´aseres de semiconductor y su potencial aplicaci´on a sistemas de medidas a distancia. En primer lugar, se realizar´a una breve introducci´on a las t´ecnicas m´as com´unmente empleadas para la detecci´on y realizaci´on de medidas a distancia mediante la luz y se justificar´an los beneficios que los l´aseres de semiconductor pueden aportar a dichas t´ecnicas tanto en emisi´on continua como en emisi´on pulsada. Seguidamente, se describir´a la generaci´on de trenes de pulsos que tiene lugar en un montaje experimental formado por un l´aser de semiconductor de emisi´on superficial en cavidad vertical externa con emisi´on a 980 nm a trav´es de dos mecanismos: la reinyecci´on cruzada de polarizaci´on en el l´aser y enganche de modos mediante el acople a un espejo resonante de absorbente saturable. Se estudiar´a la posibilidad de controlar el n´umero de pulsos en dicho tren a trav´es de la modulaci´on el´ectrica de la corriente de alimentaci´on del l´aser, demostrando la posibilidad de generar diferentes patrones de pulsos mediante la activaci´on y desactivaci´on de la modulaci´on el´ectrica. A continuaci´on, se realizar´a una adaptaci´on de dicho montaje experimental en el que el medio propagante para la luz pasar´a de ser el aire a ser fibra ´optica. Se estudiar´a un primer montaje de l´aser en fibra en configuraci´on de anillo unidireccional en el que el medio de ganancia pasar´a a ser un amplificador ´optico de semiconductor con emisi´on a 1550 nm y, casi exclusivamente, en una ´unica polarizaci´on. Bajo dicho esquema, se perseguir´a reproducir la generaci´on de pulsos bajo los dos mismos mecanismos expuestos previamente para el sistema emitiendo a 980 nm y se mostrar´a c´omo los pulsos obtenidos con este sistema permiten ser usados para realizar medidas a distancias. El papel relevante jugado por la evoluci´on de la polarizaci´on en su viaje a lo largo de la fibra ´optica en la configuraci´on anterior y la dificultad en el control determinista de la misma, llevar´an a la exploraci´on de nuevas topolog´ıas para la configuraci´on experimental del l´aser en fibra. Se describir´a una configuraci´on de dos bucles acoplados, conocida como figura de ocho y formada por fibras mantenedoras de la polarizaci´on, capaz de generar diferentes reg´ımenes de trenes de pulsos altamente estables, que presentan una anchura del orden de los femtosegundos, a trav´es de la variaci´on de la corriente de alimentaci´on del l´aser. Finalmente, se describir´a la construcci´on de una rama de reinyecci´on completamente ´optica a˜nadida al montaje experimental que permitir´a la selecci´on de un ´unico pulso del tren y su posterior reinyecci´on en el mismo y se demostrar´a, tambi´en, la posibilidad de borrar un pulso previamente escrito. La capacidad de escribir y borrar a voluntad m´ultiples pulsos en el tren prueba la naturaleza de los mismos como estructuras localizadas y demuestra la posibilidad de usar dicho sistema como un generador ´optico de patrones arbitrarios de pulsos ultracortos

[cat] El present treball constitueix un estudi sobre la generaci´o i control de polsos `optics en diferents tipus de l`asers de semiconductor i el seu potencial aplicaci´o a sistemes de mesures a dist`ancia. En primer lloc, es realitzar`a una breu introducci´o a les t`ecniques m´es comunment emprades per a la detecci´o i realitzaci´o de mesures a dist`ancia mitjan¸cant la llum i es justificaran els beneficis que els l`asers de semiconductor poden aportar a aquestes t`ecniques tant en emissi´o cont´ınua com en emissi´o polsada. Seguidament, es descriur`a la generaci´o de trens de polsos que t´e lloc en un muntatge experimental format per un l`aser de semiconductor d’emissi´o superficial en cavitat vertical externa amb emissi´o a 980 nm a trav´es de dos mecanismes: la reinjecci´o creuada de polaritzaci´o en el l`aser i enganxament de modes mitjan¸cant l’acoblament d’un mirall ressonant d’absorbent saturable. S’estudiar`a la possibilitat de controlar el nombre de polsos en aquest tren a trav´es de la modulaci´o el`ectrica del corrent d’alimentaci´o del l`aser, demostrant la possibilitat de generar diferents patrons de polsos mitjan¸cant l’activaci´o i desactivaci´o de la modulaci´o el`ectrica. A continuaci´o, es realitzar`a una adaptaci´o de l’esmentat muntatge experimental en qu`e el medi propagant per a la llum passar`a de ser l’aire a ser fibra `optica. S’estudiar`a un primer muntatge de l`aser en fibra en configuraci´o d’anell unidireccional en qu`e el medi de guany passar`a a ser un amplificador `optic de semiconductor amb emissi´o a 1550 nm i, gaireb´e exclusivament, en una `unica polaritzaci´o. Sota aquest esquema, es perseguir`a reproduir la generaci´o de polsos sota els dos mateixos mecanismes exposats pr`eviament per al sistema emetent a 980 nm i es mostrar`a com els polsos obtinguts amb aquest sistema poden ser usats per a realitzar mesures de dist`ancies. El paper rellevant jugat per l’evoluci´o de la polaritzaci´o en el seu viatge al llarg de la fibra `optica a la configuraci´o anterior i la dificultat en el control determinista de la mateixa, han de portar a l’exploraci´o de noves topologies per a la configuraci´o experimental del l`aser en fibra. S’ha desenvolupat una configuraci´o de dos bucles acoblats, coneguda com a figura de vuit i formada per fibres mantenidores de la polaritzaci´o, capa¸c de generar diferents r`egims de trens de polsos altament estables, que presenten una durada temporal de l’ordre dels femtosegons, a trav´es de la variaci´o del corrent d’alimentaci´o del l`aser. Finalment, es descriur`a la construcci´o d’una branca de reinjecci´o completament `optica afegida al muntatge experimental que permetr`a la selecci´o d’un ´unic pols del tren i la seva posterior reinjecci´o en el mateix i es demostrar`a, tamb´e, la possibilitat d’escriure i/o d’esborrar un pols pr`eviament escrit. La capacitat d’escriure i esborrar a voluntat m´ultiples polsos al tren prova la naturalesa dels mateixos com a estructures localitzades i demostra la possibilitat d’usar aquest sistema com un generador `optic de patrons arbitraris de polsos ultracurts.