Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1529
Main Title: Semiconductor Laser Systems with Advanced Pulse Compression for High-Frequency Measurement Applications
Translated Title: Halbleiterlasersysteme mit fortgeschrittener Pulskompression für Anwendungen in der Hochfrequenzmesstechnik
Author(s): Quast, Holger
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In dieser Arbeit wurden zwei Lasersysteme im Wellenlängenbereich von 1550 nm entwickelt, die auf kommerziell erhältlichen Komponenten basieren. Beide Lasersysteme, ein Doppellasersystem und ein System mit variabler Wiederholrate, wurden erfolgreich für Höchstfrequenzmessungen eingesetzt. Die zentrale Komponente beider Systeme ist eine nichtlineare Pulskompression unter Verwendung eines neuartigen Kompressionsverfahrens, das auf einer sogenannten comb-like dispersion profiled fiber (CDPF) basiert. Durch die Erstellung eines Simulationsprogramms in Verbindung mit einem Optimierungsalgorithmus konnten CDPFs entwickelt und gebaut werden. Die numerische Vorhersage stimmt mit den später erfolgten Messungen hervorragend überein. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden Pulse mit einer Halbwertsbreite von etwa 10 ps und darüber auf Halbwertsbreiten von unter 300 fs komprimiert. Somit wurde ein sehr hoher Kompressionsfaktor von über 20 erreicht. Gleichzeitig sind die komprimierten Pulse von ausgezeichneter Qualität so dass eine 3 dB Bandbreite von 800 GHz erreicht werde konnte. Das Doppellasersystem wurde für die Anrege-Abfrage-Messtechnik (pump probe) entwickelt. Es basiert auf zwei gewinngeschalteten Lasern, die vom gleichen Oszillator getrieben werden. Dadurch kann ein elektrischer Phasenschieber verwendet werden, mit dessen Hilfe die beiden Laserpulse zeitlich zueinander verschoben werden können. Mit diesem System wurde ein Scanbereich von annähernd der Pulswiederholrate von 2.5 ns bei einer Schrittauflösung von unter 100 fs erreicht. Der Zeitjitter des Gesamtsystems inklusive Elektronik liegt bei nur 540 fs. Eine Messung der Kreuzkorrelation der beiden Pulse des Systems ist ein gutes Maß für die zeitliche Messauflösung des Lasersystems Die erzielte Halbwertsbreite der Kreuzkorrelation ist mit 1,3 ps sehr klein. Das Doppellasersystem wurde erfolgreich im Bereich des elektrooptischen Sampling eingesetzt. Zur Charakterisierung von Bauteilen, die nicht optisch angeregt werden, wurde ein Lasersystem entwickelt, dass die Wiederholrate ändern kann. Dies bringt Vorteile für den Messaufbau und für die Sensitivität. Das Lasersystem basiert ebenfalls auf gewinngeschalteten Lasern mit Photoneninjektion. Allerdings werden in diesem Fall die Photonen aus einer zweiten gepulsten Laserdiode injiziert. Die mögliche Variation der Wiederholrate von 395 bis 420 MHz erlaubt eine Synchronisation mit den typischen Lasern für Datenraten im Gigabit-Bereich. Auch hier erfolgte die nichtlineare Pulskompression mit Hilfe einer CDPF. Das System wurde erfolgreich im Bereich optisches Sampling eingesetzt. Die Ausgangspulse zeigen eine Halbwertsbreite von unter 500 fs und einen Zeitjitter von unter 1 ps. Darüberhinaus wurde die Generation und Detektion von THz-Strahlung auf Basis obiger Lasersysteme untersucht. Ebenfalls wird ein neues Konzept für Einzelschuss-Optisches-Sampling vorgestellt.
The Dual Laser System was developed for pump and probe measurement applications and is based on the synchronisation of its two lasers to the same low-noise rf-oscillator. This allows the use of an electrical phase-shifter to create the relative time delay between the lasers. In this way, a large scanning window that nearly matches the pulse period of 2.5 ns as well as a discrete time step of below 100 fs is achieved. The timing jitter of the complete dual laser system including all electronics is only 540 fs across the whole time delay. By measuring the cross correlation of its two pulses, the performance of the whole system is demonstrated. Its cross correlation has a very low FWHM of 1.3 ps. Next to the pulse widths (autocorrelation FWHM of 310 fs), the cross correlation includes the timing jitter of both laser pulses and therefore is a true measure of the temporal resolution of the system. The Dual Laser System was successfully used for electro-optical sampling. To measure active devices that cannot be optically pumped, e.g. other lasers, a laser system with variable repetition rate is presented. This system is also based on a gain-switched laser, but uses external photon injection (GSEI) from a second laser diode to obtain the required jitter values. Especially at low repetition rates, the pulsed photon injection assures a low background and therefore a high signal-to-noise ratio. Due to the possible variation of the repetition rate from 395 to 420 MHz, frequency locking to the standard telecom repetition frequencies for data transmission can be achieved. A locking range of more than 1% has been obtained for all bands, which corresponds for higher repetition rate bands to a tunability of several GHz. In the whole locking range, the timing jitter is below one picosecond and the autocorrelation width is below 450 fs (FWHM) after CDPF compression. The system was successfully used for optical sampling of hybrid mode-locked quantum-dot laser pulses. Furthermore, the use of the laser systems for THz applications was investigated. Using the Dual Laser System, THz radiation was successfully generated. The use of the system with variable repetition rate for the detection of THz radiation is promising. Finally, a novel optical sampling scheme allowing the single-shot detection of ultrafast optical pulses has been proposed. This includes the proposal of a new laser system that is based on the ones developed in this work. In conclusion, the target to allow the characterisation of high-frequency devices with a bandwidth well above 100 GHz has been reached.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14877
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1826
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1529
Exam Date: 18-Dec-2006
Issue Date: 7-Feb-2007
Date Available: 7-Feb-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): (Elektro-)Optisches Sampling
Halbleiterlaser
Hochfrequenzmesstechnik
Photoneninjektion
Ultrakurzzeitspektroskopie
(electro-)optical sampling
High-freqency measurement technology
Photon injection
Semiconductor laser
Ultrafast spectroscopy
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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