Simulation of optical frequency comb generated by semiconductor lasers

RESUMEN: En este trabajo se han estudiado las características de los peines de frecuencia óptica en láseres de semiconductor generados mediante las técnicas de encendido por ganancia e inyección óptica. Para ello se ha desarrollado un programa que ha permitido resolver las ecuaciones de balance mediante la implementación de un modelo numérico. Dichas ecuaciones de balance presentan términos de ruido estocástico por lo que ha sido necesario utilizar métodos de integración de ecuaciones diferenciales estocásticas para su resolución. En la primera parte del trabajo se ha realizado el estudio de la simulación del láser de semiconductor en solitario, analizando los resultados para el láser en corriente continua y con encendido por ganancia. Para el caso del láser encendido por ganancia se ha procedido a caracterizar los peines de frecuencia óptica en función de la amplitud VRF y la frecuencia fR de la corriente inyectada. Se ha observado la creación y destrucción de los peines a medida que se aumentaba la amplitud, así como una mayor irregularidad para bajas frecuencias. En las siguientes partes se ha analizado la generación de peines de frecuencia óptica mediante inyección de luz de un segundo láser, caracterizada por la potencia inyectada PIny y la diferencia de frecuencias entre ambos láseres dn. Primero se ha estudiado el caso de inyección óptica sin encendido por ganancia, pasando a continuación a estudiar el caso de combinar ambos métodos. El modelo ha permitido determinar las diferentes regiones dinámicas para distintas inyecciones, pudiendo identificar regiones con bifurcaciones de Hopf y de doblamiento de periodo. Se ha obtenido un excelente acuerdo entre los resultados de la simulación y los experimentales [1, 2] , mostrando la gran capacidad predictiva del modelo.ABSTRACT: In this dissertation we have studied the characteristics of the optical frequency combs in semiconductor lasers generated by gain-switching and optical injection. A program has been developed to solve rate equations by implementing a numerical model. These rate equations present terms of stochastic noise, being necessary to use methods of integration of stochastic differential equations for their resolution. In the first part of the work, the study of the simulation of the solitary semiconductor laser has been carried out, analyzing the results for the laser in continuous wave and with gain-witching. In the case of the laser in gain-switching, the optical frequency combs have been characterized according to the amplitude VRF and the frequency fR of the injected current. The creation and destruction of combs has been observed as the amplitude was increased, as well as a greater irregularity for low frequencies. In the following parts the generation of optical frequency combs has been analyzed by means of optical injection from a second laser, characterized by the injected power PIny and the detuning between both lasers’ frequency dn. First, the case of optical injection without gain-switching has been studied, going on to study the combination of both methods. The model has allowed to determine the different dynamic regions for different injections, being able to identify regions with period doubling and Hopf bifurcations. An excellent agreement has been obtained between the simulation results and the experimental ones [1, 2] , showing the great predictive capacity of the model.Grado en Físic