Experimental and theoretical study of the optical frequency combs generated by gain-switching of semiconductor lasers

El trabajo de investigación realizado en el marco de esta tesis doctoral se ha centrado en la generación de Peines Ópticos de Frecuencia (OFC) en láseres de semiconductor mediante la técnica de conmutación de ganancia (GS). El trabajo ha sido fundamentalmente experimental, si bien se han empleado simulaciones para contribuir a una mejor comprensión de la física interna del proceso de generación de OFCs. Se han empleado diversos tipos de láser, fundamentalmente láseres de realimentación distribuida (DFB) y láseres de modo discreto (DML). Se ha realizado una caracterización experimental exhaustiva de las propiedades de los OFCs generados mediante GS en un rango completo de condiciones de operación a distintas frecuencias de repetición, tanto en el rango de los GHz, con aplicaciones en comunicaciones ópticas, como en el rango de las centenas de MHz, de aplicación en espectroscopia. En el estudio experimental se ha investigado el efecto de la inyección óptica sobre las propiedades de los OFCs, obteniéndose interesantes resultados, como la mejora o empeoramiento de la calidad de los espectros en función de las condiciones de conmutación y de inyección. Se han encontrado las condiciones óptimas de operación para generar OFC de alta calidad a las distintas frecuencias consideradas. Con el fin de mejorar la comprensión de los diferentes procesos físicos involucrados en la generación de los OFCs por conmutación de ganancia, se ha desarrollado una herramienta de simulación basada en el modelo de ecuaciones de balance para láseres de semiconductor, con especial consideración en el tratamiento de las fuentes de ruido. Para una correcta simulación de los OFCs se requiere el conocimiento de un conjunto de parámetros internos de los láseres; que se obtuvieron mediante un procedimiento original basado en la medida de los espectros del Ruido Relativo de Intensidad (RIN). Mediante este procedimiento se ha reducido la incertidumbre en los resultados simulados, al ser posible extraer mayor número de parámetros que mediante otros procedimientos gracias a un adecuado tratamiento analítico de las ecuaciones del RIN. Las simulaciones han reproducido por completo la respuesta temporal y espectral de diferentes láseres en un rango amplio de condiciones eléctricas y de inyección óptica. A partir de las simulaciones se han comprendido los procesos físicos predominantes que contribuyen a la generación de OFCs, “chirp” dinámico a altas frecuencias de repetición, y “chirp” adiabático a bajas frecuencias. Se ha demostrado que es posible mejorar las características de los OFCs a baja frecuencia mediante el empleo de excitación con pulsos eléctricos, en lugar de las habituales señales sinusoidales. Se han generado OFCs de alta calidad a 100 MHz (hasta 866 tonos en 10 dB) con buena relación portadora a ruido. También se ha demostrado que es posible emplear “Step-recovery diodes” (SRDs) como fuente de pulsos eléctricos para generar OFCs, reduciendo el costo y tamaño de los equipos involucrados, y manteniendo buena calidad en las características de los OFCs. El papel del “jitter” de la fuente eléctrica en la calidad de los OFCs ha sido estudiado teórica y experimentalmente. Finalmente, los OFCs generados mediante conmutación de ganancia e inyección óptica han sido empleados para medir los espectros de absorción de diferentes elementos, utilizando tres arquitecturas diferentes. Se ha empleado detección heterodina, espectroscopia de peine dual, y se ha implementado por primera vez la técnica de peine dual con un único láser por conmutación de la frecuencia de GS. Los resultados han sido prometedores de cara a la aplicación de estos OFCs en espectroscopia de gases. ----------ABSTRACT---------- The research work carried out within the framework of this PhD has focused on the generation of Optical Frequency Combs (OFC) in semiconductor lasers using the gainswitching (GS) technique. The work has been mainly experimental, although simulations have been used to contribute to a better understanding of the internal physics of the OFCs generation process. Various types of lasers have been used, specially distributed feedback (DFB) lasers and discrete mode lasers (DML). An exhaustive experimental characterisation of the properties of the OFCs generated by GS in a full range of operating conditions has been performed. Two ranges of repetition frequencies have been explored: the GHz range with applications in optical communications, and the range of hundreds of MHz for application in spectroscopy. The effect of the optical injection (OI) on the properties of the OFCs has been investigated, and interesting results have been obtained, such as the improvement or deterioration of the quality of the spectra depending on the GS and OI conditions. The optimal operating conditions to generate high quality OFCs at the different frequencies considered have been found. In order to improve the understanding of the different physical processes involved in the generation of the OFCs generated by GS, a simulation tool based on the rate equation model for semiconductor lasers has been developed, with detailed treatment of the noise sources. For a correct simulation of the OFCs the values of a set of internal laser parameters is are required. They were obtained through an original procedure based on the measurement of the relative intensity noise (RIN) spectra. Using this procedure, the uncertainty in the simulated results has been reduced, since it allows to extract more parameters than other procedures due to an adequate analytical treatment of the RIN equations. The simulations have completely reproduced the temporal and spectral response of different lasers in a wide range of electrical and optical injection conditions. From the simulations, the predominant physical processes that contribute to the generation of OFCs, dynamic ”chirp” at high repetition frequencies, and adiabatic ”chirp” at low frequencies, have been identified. I t has been shown that it is possible to improve the characteristics of low frequency OFCs by driving the laser with electric pulses, instead of using sinusoidal driving. High quality 100 MHz OFCs (up to 866 tones in 10 dB) with good carrier-to-noise (CNR) ratio have been generated. It has also been shown that step-recovery diodes (SRDs) can be used as a source of electrical pulses to generate OFCs, thus reducing the cost and size of the equipment involved, while maintaining the quality of the OFCs. The role of the “jitter” of the electrical source in the quality of the OFCs has been studied theoretically and experimentally. Finally, the OFCs generated by gain-switching and optical injection have been used to measure the absorption spectra of different elements, using three different architectures: heterodyne detection, and dual-comb spectroscopy and a new implementation of this technique. In this implementation the dual-comb is generated from a single GS laser by alternating the repetition frequency. Promising results for the application of these OFCs in gas spectroscopy have been obtained