Microwave photonics using semiconductor laser frequency combs

Abstract

Optische Frequenzkämme sind Laser, deren Spektrum aus einer großen Anzahl an äquidistanten Moden besteht. Der Modenabstand ist gegeben durch die Umlauffrequenz der Kavität, welche eine Radiofrequenz (RF) ist. Deshalb ist ein Frequenzkamm ein optischer Maßtstab und verbindet den optischen Frequenzbereich mit Radiofrequenzen. Dadurch kann die Genauigkeit von moderner RF Elektronik auf optische Frequenzmessungen übertragen werden. Zur Erzeugung eines Frequenzkamms wird ein nicht-linearer Mechanismus benötigt, der die Frequenzen und Phasen von benachbarten Kavitätsmoden koppelt. Die ersten Frequenzkämme basierten auf passiv modengekoppelten Lasern, die mit Hilfe eines sättigbaren Absorbers ultrakurze Lichtpulse erzeugen. In den vergangenen Jahren wurden rasante Fortschritte im Gebiet der Halbleiterlaser-basierten Frequenzkämme gemacht. Diese Technologie ist ein vielversprechender Kandidat, um sowohl Frequenzkämme als auch schnelle Photodetektoren auf einem Mikrochip zu integrieren. Diese Eigenschaften werden in Zukunft monolithische Doppelkammspektrometer ermöglichen. Der Phasenkopplungsmechanismus unterscheidet sich fundamental von Femtosekundenlasern und basiert auf der nicht-linearen Antwort des sättigbaren Verstärkungsmediums. Die Schwebung benachbarter Kammlinien erzeugt optische Seitenbänder über Vierwellenmischung. Diese Seitenbänder wirken als Master-Oszillator für die Kavitätsmoden und führen über eine kaskadierte optische Injektionsverkopplung zu einem äquidistanten Frequenzkamm. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, die Phasen und die Kohärenz von Halbleiterlaser-Frequenzkämmen zu untersuchen. Die Experimente konzentrieren sich auf Quanten- (QCL) und Interband-Kaskadenlaser (ICL), die im mittleren Infrarotbereich emittieren, und auf Quantenpunktlaser im nahen Infrarotbereich (QDL). Da der Frequenzkamm eine direkte Verbindung zwischen der optischen und der RF-Domäne bildet, können seine Phasen unter Verwendung einer RF-Interferometrietechnik charakterisiert werden. Die gemessenen Phasendifferenzen der Kammlinien sind in einem charakteristischen Muster angeordnet, das linear um den komplexen Einheitskreis herum verteilt ist und genau 2 pi abdeckt. Dieses Muster findet sich in QCLs, ICLs und QDLs unabhängig von der Tatsache, dass diese Laser eine sehr unterschiedliche Verstärkungsdynamik aufweisen. Die Kenntnis des Spektrums und der Phasen ermöglicht die Rekonstruktion der vom Laser emittierten Wellenform. Aufgrund der Verstärkungssättigung bevorzugen die Laser eine Wellenform mit unterdrückter Amplitudenmodulation, die von einer starken Frequenzmodulation begleitet wird. Letztere wird genau einmal pro Kavitätsumlauf durch das gesamte Spektrum moduliert. Der Mechanismus, der zu dieser Art von FM-Kamm führt, ist der Synchronisation gekoppelter Oszillatoren sehr ähnlich. QDLs bieten eine ideale Plattform zur Untersuchung dieser Synchronisationsphänomene, da ihr Verstärkungsmedium durch Anlegen einer negativen Spannung auf einem sättigbaren Absorber umgeschaltet werden kann. Dies ermöglicht es, die Kopplung zwischen den Oszillatoren zu ändern, die durch die Schwebung der Kammlinien gegeben sind, und führt zu unterschiedlichen Synchronisationszuständen. Abhängig von der Absorberspannung befindet der QDL sich entweder im gleichphasigen Synchronisationszustand, der modengekoppelte Lichtpulse emittiert, oder im gegenphasigen Zustand, der dem oben erwähnten FM-Kamm entspricht. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist den Einfluss von RF-Modulation zu untersuchen. Es können zwei Fälle unterschieden werden. Im ersten Fall ist die Modulationsamplitude viel kleiner als der DC-Treiberstrom des Lasers. Vorausgesetzt, dass die Modulationsfrequenz in unmittelbarer Nähe der Kavitätsumlauffrequenz liegt, kann der Modenabstand kohärent an das externe Modulationssignal gekoppelt werden. Diese Art der elektrischen Injektionsverkopplung verändert die Phasen des FM-Kamms nicht. Im zweiten Fall wird die Modulationsamplitude vergleichbar oder sogar größer als der DC-Treiberstrom. Dies führt zur Bildung kurzer Lichtpulse durch aktive Modenkopplung. Die Modulationsfrequenz muss genau abgestimmt werden, da sich die Synchronisationsfrequenz des aktiv modengekoppelten Zustands von der des FM-Kamms unterscheidet. Auf diese Weise werden in ICLs kurze Pulse mit einer Dauer von 3.2 ps und einer Spitzenleistung von deutlich über 100 mW generiert. Die Erzeugung von modengekoppelten Pulsen aus monolithischen QCLs im mittleren Infrarotbereich gilt bis heute als außerordentlich schwierig. Es wird jedoch gezeigt, dass eine ausreichend große Modulationstiefe, die durch ein spezielles Laserdesign ermöglicht wird, die Erzeugung transformationsbegrenzter Pikosekundenpulse ermöglicht. Zwei unterschiedliche Methoden zeigen unabhängig voneindander, dass die aktive Modenkopplung über den gesamten Laserbereich aufrecht erhalten bleibt.

Optical frequency combs are lasers, whose spectrum consists of a great number of equidistant modes. The mode spacing is equal to the roundtrip frequency of the laser cavity, which is a radio-frequency (RF). Hence, a frequency comb constitutes an optical frequency ruler and provides a direct link between the optical and RF domains. This allows to transfer the accuracy of state-of-the-art RF electronics to optical frequency metrology. Generally, frequency comb operation requires a non-linear mechanism, which couples the frequencies and phases of neighboring cavity modes. The first combs were based on passively mode-locked lasers, which rely on a fast saturable absorber in the cavity and emit a train of femtosecond pulses. The recent years have seen rapid progress in frequency combs based on semiconductor lasers. This technology holds promises for fabricating both frequency comb sources and high-speed detectors using microchip-sized semiconductor heterostructures. These properties pave the way towards monolithically integrated dual-comb spectrometers. The phase-locking mechanism is fundamentally different from femtosecond combs and is based on the non-linear response of the saturable gain medium. The beating of adjacent comb lines creates optical sidebands at the frequency of the neighboring cavity modes via four-wave-mixing. These sidebands act as master oscillator and give rise to an equidistant frequency comb via cascaded optical injection locking. The first goal of this thesis is to shed light on the phases and coherence of semiconductor laser frequency combs based on four-wave-mixing in the gain medium. The experiments focus on quantum (QCL) and interband cascade lasers (ICL) emitting in the mid-infrared region and near-infrared quantum dot lasers (QDL). Since the frequency comb forms a direct link between the optical and RF domain, its phases can be characterized conveniently using a RF interferometric technique. The measured intermode difference phases are arranged in a characteristic pattern, which is linearly splayed around the complex unit circle covering exactly 2 pi. This pattern is found in QCLs, ICLs and QDLs independently of the fact that these lasers have very different gain dynamics. Knowledge about the spectrum and the phases modes allows to reconstruct the waveform emitted by the laser. Due to gain saturation, the lasers favor a waveform with suppressed amplitude modulation accompanied by strong frequency modulation, which chirps through the entire spectrum exactly once per cavity roundtrip. The mechanism giving rise to this kind of FM comb is very similar to synchronization of coupled oscillators. An ideal platform for studying these synchronization phenomena is provided by QDLs, because their gain region can be switched to a saturable absorber by applying a reverse bias. This allows to alter the coupling between the oscillators represented by the intermode beatings and leads to different synchronization states. Depending on the absorber bias, the QDL either operates in the in-phase synchronization state, which emits a train of mode-locked pulses, or in the anti-phase state corresponding to the FM comb mentioned above. The second goal of this thesis is to investigate the influence of RF modulation. Two cases can be distinguished. In the first case, the modulation amplitude is much smaller than the DC driving current. Provided that the modulation frequency is in close vicinity to the cavity roundtrip frequency, the mode spacing can be coherently locked to the external modulation signal. This kind of electrical injection locking does not alter the phases of the FM comb. In the second case, the modulation amplitude becomes comparable or even larger than the DC driving current. This leads to the formation of short pulses via active mode-locking. The modulation frequency has to be chosen carefully, because the synchronization frequency of the actively mode-locked state differs from the one of the FM comb. In this way, 3.2 ps short pulses with a peak power considerably above 100 mW are reported in ICLs. The generation of mode-locked pulses from monolithic mid-infrared QCLs has proven to be an uphill battle until now. Nevertheless, it is shown that a sufficiently large modulation depth provided by a specially designed active region allows to generate transformation-limited picosecond pulses over the entire lasing range from threshold to rollover. Two fundamentally different methods are used to confirm the pulse width and show excellent agreement.