[논문 리뷰] Control and generation of localized pulses in passively mode-locked semiconductor lasers

M. Marconi, J. Javaloyes외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 15인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광학 피드백을 통해 공진형 포화 흡수 반사판(RSAM)을 이용한 수동 모드 잠금 광학 간섭계형 발진기(VCSEL)에서 국소화되고 상호 독립적인 피코초 펄스를 실험적으로 및 이론적으로 생성하고 제어할 수 있음을 입증한다. 펄스 수를 1에서 4까지 정밀하게 조절할 수 있도록 펄스의 수를 조절할 수 있으며, 이는 10 ps 펄스에 대해 1 W의 피크 전력으로 작동하는 임의의 패턴 생성기로 기능할 수 있다.

ABSTRACT

We show experimentally and theoretically that localized pulses can be generated from an electrically biased $200\,μ$m multi-transverse mode Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser. The device is passively mode-locked using optical feedback from a distant Resonant Saturable Absorber Mirror and it is operated below threshold. We observe multistability between the off solution and a large variety of pulsating solutions with different number and arrangements of pulses per round-trip, thus indicating that the mode-locked pulses are localized, i.e. mutually independent. We show that a modulation of the bias current allows controlling the number of the pulses travelling within the cavity, thus suggesting that our system can be operated as an arbitrary pattern generator of 10 ps pulses and 1 W peak power.

연구 동기 및 목표

• 임계값 이하에서 수동 모드 잠금 반도체 레이저에서 국소화된 펄스의 형성과 제어를 조사한다.
• 다중 안정성의 역할이 광학 버퍼링 및 신호 생성을 위한 독립적 펄스 주소 지정을 가능하게 하는지를 탐색한다.
• 편향 전류 조절이 캐비티 내 펄스의 수와 배열을 제어할 수 있음을 입증한다.
• 작고 전기적으로 구동되는 VCSEL에 RSAM 피드백를 적용하여 저반복률, 고피크 전력의 초단 펄스 소스를 구축한다.
• 이 시스템이 라이다, 분광학 및 광통신 등의 애플리케이션에서 광학 임의 패턴 생성기 후보로 유효한지를 검증한다.

제안 방법

• 실험은 200 µm의 넓이를 가진 광학 간섭계형 발진기(VCSEL)를 사용하며, 이는 임계값 이하에서 전기적으로 편향되고 980 nm의 공진형 포화 흡수 반사판(RSAM)과 4×4 mm²의 개구부를 통해 결합된다.
• RSAM로부터의 광학 피드백은 수동 모드 잠금을 유도하며, 이는 이득 및 포화 역학을 통해 초단 펄스의 형성을 가능하게 한다.
• 편향 전류를 조절하여 효과적인 이득을 제어함으로써, 캐비티 라운드트립당 다양한 수의 국소화된 펄스를 선택적으로 자극하고 안정화할 수 있다.
• 편의성의 진폭과 캐비티 라운드트립 시간에 대한 이득 조절의 이격을 변화시켜 수치적 분기 다이어그램을 구성한다.
• 이 시스템은 이득, 포화 및 캐비티 라운드트립 시간 간의 상호작용을 기록하는 기니츠부르크-랜드외 유형 모델을 사용하여 분석된다.
• 실험 결과는 시뮬레이션과 비교되어 다중 안정성 있는 국소화된 구조의 존재와 조절 매개변수에 대한 민감도를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계값 이하에서 RSAM 피드백를 갖는 수동 모드 잠금 광학 간섭계형 발진기에서 국소화된 펄스가 형성되고 안정화될 수 있는가?
• RQ2 편향 전류 조절은 캐비티 내 국소화된 펄스의 수와 배열을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 조절 주기와 캐비티 라운드트립 시간 간의 이격이 펄스 수 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이 시스템은 어느 정도 다중 안정성을 가지며, 개별 펄스는 독립적으로 주소 지정될 수 있는가?
• RQ5 이 시스템은 초단 펄스에 대해 임의의 패턴 생성기로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 임계값 이하에서 VCSEL-RSAM 시스템에서 국소화된 펄스가 형성되며, 오프 상태와 다양한 펄스 구성(라운드트립당 1~4개 펄스) 사이의 다중 안정성이 존재한다.
• 시스템은 강한 다중 안정성을 보이며, 편향 전류 조절을 통해 펄스 수를 제어함으로써 서로 다른 펄스 패턴을 선택적으로 자극할 수 있다.
• 캐비티 내에서 최대 4개의 국소화된 펄스를 유지할 수 있으며, 이는 조절 이격 Δτ = 0.23일 때 달성되며, 이는 이득 복구 효과를 포함한 효과적인 캐비티 라운드트립 시간에 해당한다.
• 공진 혀의 너비는 약 0.5의 정규화된 시간이며, 이는 펄스 폭 약 10 ps 및 필터 대역폭 약 40 kHz와 일치한다.
• 단일 국소화된 펄스를 유지하기 위해 필요한 최소 전류는 g_sn ≈ 0.94g_th로, 임계 이득에 매우 가까운 것으로 밝혀졌다.
• 이 시스템은 10 ps 펄스와 1 W 피크 전력으로 기록적인 저반복률 65.5 MHz를 달성하였으며, 이는 임의의 패턴 생성기로의 실현 가능성에 대한 증거를 제시한다.