Μελέτη διατάξεων λέιζερ κβαντικών τελειών, εγκλείδωσης τρόπων για τηλεπικοινωνιακές και βιο-ιατρικές εφαρμογές

Abstract

This work is focused on the experimental and theoretical study of quantum dot passively mode locked lasers. The first part of this thesis is focused on the analytical study of current literature regarding the generation of ultra short optical pulses through the mechanism of passive mode locking in semiconductor lasers. The benefits and drawbacks of this approach are analyzed, whereas the need for implementation of new materials like quantum dots is discussed in detail. In the second part of this thesis a numerical model based on multi-population rate equations has been developed, in order to study the complex dynamics of multiple energy states present in a quantum dot gain medium. Moreover by incorporating delayed differential equations passive mode lockinghas been achieved and the impact of bias conditions on the temporal properties of the pulses is discussed. The possibility of dual state mode locking from different spectral bands, which is a highly required feature for newly emerging applications, is also analyzed numerically. The third part is focused on the experimental verification of the numerical results of the previous section, whereas the experimental investigation allowed new regimes of operation, which could not be predicted numerically. In detail dual wavelength mode locking, alongside the impact of higher energy state emission in the mode locking procedure has been studied. Furthermore dual ground-state emission due to gain saturation effects has been shown, whereas two new regimes of operation related tothis effect has been identified. The first consists of tunable dual wavelength modelocking from the ground state, whereas the second consists of pulse width narrowing in the presence of dual state emission. In addition the dynamic response of several quantum dot mode locked devices have been performed in the presence of varying optical feedback. The analysis consisted on the effect of feedback on both emission bands revealing a variation on the dynamic properties of each state. Moreover inhomogeneous current injection has been applied in a multi-section quantum dot laserenabling new operation regimes like self-pulsations due to inter-state carrier dynamics and chaotic operation without the use of sophisticated feedback-based-setups. Finally the experimental characterization of devices having different structural characteristics allowed the extracture of design guidelines for pulse width and peak power optimization.

Η συγκεκριµένη διδακτορική διατριβή πραγµατεύεται την µελέτη ολοκληρωµένων διατάξεων λέιζερ κβαντικών τελειών, για την επίτευξη παθητικής εγκλείδωσης τρόπων και κατ’ επέκταση την παραγωγή οπτικών παλµών µικρού χρονικού εύρους και µεγάλης οπτικής ισχύος. Στα πλαίσια της διερεύνησης πραγµατοποιήθηκε βιβλιογραφική µελέτη για την ανάδειξη των δυνατοτήτων των ηµιαγωγικών λέιζερ όσο αναφορά την ποιότητα της παλµικής λειτουργίας, καθώς και σκιαγραφήθηκαν τόσο τα πλεονεκτήµατα όσο και τα προβλήµατα που παρουσιάζουν. Η βιβλιογραφική µελέτη των συµβατικών δοµών κατέδειξε την αναγκαιότητα για χρήση νέων υλικών όπως είναι η κβαντικές τελείες για την άρση των περιορισµών. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα θεωρητικό µοντέλο βασισµένο σε πολυπληθισµιακές εξισώσεις φορέων για την µοντελοποίηση διατάξεων λέιζερ κβαντικών τελειών σε παθητική εγκλείδωση τρόπων. Η θεωρητική µελέτη πουπραγµατοποιήθηκε ανέδειξε εξαιρετικά ενδιαφέροντα αποτελέσµατα όσο αναφορά την επίδραση των συνθηκών πόλωσης στα χρονικά χαρακτηριστικά των παλµών όσο και αποκάλυψε νέες περιοχές λειτουργίας που σχετίζονται µε την ύπαρξη επιπλέον φασµατικών περιοχών εκποµπής. Τη θεωρητική µελέτη ακολούθησε η πειραµατική διερεύνηση διατάξεων λέιζερ κβαντικών τελειών µε αρχικό κίνητρο την επιβεβαίωση των θεωρητικά προβλεφθέντων συµπεριφορών. Στο πρώτο τµήµα της πειραµατικής µελέτης παρουσιάζεται η εξέλιξη µεγεθών όπως είναι το οπτικό φασµατικό εύρος, το ηλεκτρικό φάσµα των διατάξεων καθώς και τα χρονικά χαρακτηριστικά ως προς τις συνθήκες πόλωσης. Στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκε πειραµατική διερεύνηση φαινοµένων ταυτόχρονης εγκλείδωσης από δύο ανεξάρτητες φασµατικές περιοχές σε πλήρη συµφωνία µε τα θεωρητικάαποτελέσµατα. Στο επόµενο τµήµα της πειραµατικής διερεύνησης µελετήθηκαν συµπεριφορές, οι οποίες δεν είχαν προβλεφθεί θεωρητικά λόγω απλοποιήσεων που είχαν πραγµατοποιηθεί στο θεωρητικό µοντέλο. Αυτές οι νέες περιοχές λειτουργίας παρουσίασαν έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των πιθανών µελλοντικών τους εφαρµογών στον τηλεπικοινωνιακό και βιο-ιατρικό τοµέα. Η πρώτη περιοχή λειτουργίας σχετίζεται µε την ύπαρξη δύο διακριτών φασµατικών περιοχών εκποµπής, που οφείλονται σε φαινόµενα κορεσµού της απολαβής και επέτρεψαν την ταυτόχρονη καισυντονιζόµενη εγκλείδωση τρόπων και από τις δύο κορυφές όσο και την µείωση της διάρκειας των παλµών. Επιπλέον µελετήθηκε για πρώτη φορά η ανοχή των διατάξεων κβαντικών τελειών στην ύπαρξη οπτικής ανατροφοδότησης σε όλες τις δυνατές περιοχές εκποµπής και εξάχθηκαν ενδιαφέροντα συµπεράσµατα για τη διαφορετική δυναµική περιοχή λειτουργίας της κάθε φασµατικής περιοχής. Επιπλέον µελετήθηκαν οι επιπτώσεις ανοµοιογενούς άντλησης σε διατάξεις κβαντικών τελειών πολλαπλών τµηµάτων. Η συγκεκριµένη διερεύνηση αποκάλυψε την ύπαρξη εγγενών ασταθειών που δεν σχετιζόντουσαν µε την ύπαρξη οπτικής ανατροφοδότησης αλλά µε τη δυναµική των φορέων, και επέτρεψε την επίτευξη παλµικής λειτουργίας αλλά και χαοτικής λειτουργίας χωρίς τη χρήση επιπλέον διατάξεων. Αυτή η τελευταία εφαρµογή είναι εξαιρετικάσηµαντική και µπορεί να επιτρέψει την χρήση πιο απλών διατάξεων βασισµένων σε κβαντικές τελείες για χρήση σε τηλεπικοινωνιακά συστήµατα που βασίζονται στη χαοτική κρυπτογραφία. Τέλος ο πειραµατικός χαρακτηρισµός ενός µεγάλου εύρους διατάξεων οι οποίες διέθεταν διαφορετικά κατασκευαστικά χαρακτηριστικά επέτρεψε την εξαγωγή σχεδιαστικών κανόνων για τις νέες γενιές λέιζερ κβαντικών τελειών.