Study of the Generation of Optical Pulses by Mode-Locking in Semiconductor Lasers for Applications in LiDAR Systems

Abstract

[cat] El present treball constitueix un estudi sobre la generació i control de polsos optics en diferents tipus de lasers de semiconductor i el seu potencial aplicació a sistemes de mesures a distancia. En primer lloc, es realitzara una breu introducció a les tecniques més comunment emprades per a la detecció i realització de mesures a distancia mitjan~ant la llum i es justificaran els beneficis que els lasers de semiconductor poden aportar a aquestes tecniques tant en emissió contínua comen emissió polsada. Seguidament, es descriura la generació de trens de polsos que té lloc en un muntatge experimental format per un laser de semiconductor d'emissió superficial en cavitat vertical externa amb emissió a 980 nm a través de dos mecanismes: la reinjecció creuada de polarització en el laser i enganxament de modes mitjans:ant l'acoblament d'un mirall ressonant d'absorbent saturable. S'estudiara la pos.sibilitat de controlar el nombre de polsos en aquest tren a través de la modulació eiectrica del corrent d'alimentació del laser. demostrant la possibilitat de generar diferents patrons de polsos mitjans:ant l'activació i desactivació de la modulació el-ectrica. A continuació, es realitzara una adaptació de l'esmentat muntatge exp--erimental en que el me-di propagant pera la llum passara de ser l'aire a ser fibra optica. S'estudiara un primer muntatge de laser en fibra en configuració d'anell unidireccional en qua el me-di de guany passara a ser un amplificador optic de semiconductor amb emissió a 1550 nm i, gairebé exclusivament, en una unica polarització. Sota aquest esquema, es perseguira reproduir la generació de polsos sota els dos mateixos mecanismes exposats previament peral sistema emetent a 980 nm i es mostrara com els polsos obtinguts amb aquest sistema poden ser usats per a realitzar mesures de distancies. El paper rellevant jugat per l'evolució de la polarització en el seu viatge al llarg de la fibra optica a la conftguració anterior i la dificultat en el control determinista de la mateixa, han de portar a l'exploració de noves topologies per a la conftguració experimental del laser en fibra . S'ha desenvolupat una conftguració de dos bucles acoblats, coneguda com a figura de vuit i formada per ftbres mantenidores de la polarització, capas: de generar diferents regims de trens de polsos altament estables, que presenten una durada temporal de l'ordre deis femtosegons, a través de la variació del corrent d'alimentació del laser. Finalment, es descriura la construcció d'una branca de reinjecció completament optica afegida al muntatge experimental que permetra la selecció d'un únic pols del tren i la seva posterior reinjecció en el mateix i es demostrara, també, la possibilitat d'escriure i/o d'esborrar un pols previament escrit. La capacitat d'escriure i esborrar a voluntat múltiples polsos al tren prava la naturalesa deis mateixos com a estructures localitzades i demostra la possibilitat d'usar aquest sistema com un generador optic de patrons arbitraris de polsos ultracurts.

[spa] El presente trabajo constituye un estudio sobre la generación y control de pulsos ópticos en diferentes tipos de láseres de semiconductor y su potencial aplicación a sistemas de medidas a distancia. En primer lugar, se realizará una breve introducción a las técnicas más comúnmente empleadas para la detección y realización de medidas a distancia mediante la luz y se justificarán los beneficios que los láseres de semiconductor pueden aportar a dichas técnicas tanto en emisión continua como en emisión pulsada. Seguidamente, se describirá la generación de trenes de pulsos que tiene lugar en un montaje experimental formado por un láser de semiconductor de emisión superficial en cavidad vertical externa con emisión a 980 nm a través de dos mecanismos: la reinyección cruzada de polarización en el láser y enganche de modos mediante el acople a un espejo resonante de absorbente saturable. Se estudiará la posibilidad de controlar el número de pulsos en dicho tren a través de la modulación eléctrica de la corriente de alimentación del láser, demostrando la posibilidad de generar diferentes patrones de pulsos mediante la activación y desactivación de la modulación eléctrica. A continuación, se realizará una adaptación de dicho montaje experimental en el que el medio propagante para la luz pasará de ser el aire a ser fibra óptica. Se estudiará un primer montaj e de láser en fibra en configuración de anillo unidireccional en el que el medio de ganancia pasará a ser un amplificador óptico de semiconductor con emisión a 1550 nm y, casi exclusivamente, en una única polarización. Bajo dicho esquema, se perseguirá reproducir la generación de pulsos bajo los dos mismos mecanismos expuestos previamente para el sistema emitiendo a 980 nm y se mostrará cómo los pulsos obtenidos con este sistema permiten ser usados para realizar medidas a distancias. El papel relevante jugado por la evolución de la polarización en su viaje a lo largo de la fibra óptica en la configuración anterior y la dificultad en el control determinista de la misma, llevarán a la exploración de nuevas topologías para la configuración experimental del láser en fibra. Se describirá una configuración de dos bucles acoplados, conocida como figura de ocho y formada por fibras mantenedoras de la polarización, capaz de generar diferentes regímenes de trenes de pulsos altamente estables, que presentan una anchura del orden de los femtosegundos, a través de la variación de la corriente de alimentación del láser. Finalmente, se describirá la construcción de una rama de reinyección completamente óptica añadida al montaje experimental que permitirá la selección de un único pulso del tren y su posterior reinyección en el mismo y se demostrará, también, la posibilidad de borrar un pulso previamente escrito. La capacidad de escribir y borrar a voluntad múltiples pulsos en el tren prueba la naturaleza de los mismos como estructuras localizadas y demuestra la posibilidad de usar dicho sistema como un generador óptico de patrones arbitrarios de pulsos ultracortos.

[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 remate 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 externa! 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 far 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 dffficulty on its deterministic control will lead to the exploration of new topologjes for the experimental configuration of the fiber laser. A configuration of two coupled loops, known as a figure-of-eight and formed by polarization-maintaining fibers, capable of generating different highly stable pulse train regimes, having a width of the arder of femtoseconds will be described through the variation of the la ser bias current. Finally, the construction of a fully optical reinjectjon 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 temporallocalized structures and demonstrates the possibility of using such a system as an all-optical generator oí arbitrary ultra-short pulse patterns.