Compact Semiconductor-Based Laser Sources with Narrow Linewidth and High Output Power

Kompakte halbleiterbasierte Laserstrahlquellen mit geringer Linienbreite und hoher Ausgangsleistung

  • This work presents a fully semiconductor-based laser source that meets the requirements of coherent optical communication links in space and further allows to benefit from the numerous advantages of semiconductor lasers. A hybrid master oscillator power amplifier (MOPA) concept enables narrow-linewidth high-power operation. The experimental part of this thesis describes how the linewidth of the laser sources is characterized with a beat note measurement technique. To this end, a self-delayed hetThis work presents a fully semiconductor-based laser source that meets the requirements of coherent optical communication links in space and further allows to benefit from the numerous advantages of semiconductor lasers. A hybrid master oscillator power amplifier (MOPA) concept enables narrow-linewidth high-power operation. The experimental part of this thesis describes how the linewidth of the laser sources is characterized with a beat note measurement technique. To this end, a self-delayed heterodyne as well as a heterodyne measurement setup were realized. The self-delayed heterodyne linewidth measurement setup provides the possibility to measure the linewidth of single laser sources. However, the resolution of a SDH measurement is limited by the length of the delay line. Therefore, a novel heterodyne linewidth measurement setup with a weak frequency lock of the two lasers has been realized. This measurement setup features a virtually unlimited resolution. The analysis of the beat note signal is carried out by evaluating radio frequency beat note spectra as well as frequency noise spectra. RF beat note spectra are used to extract the full width at half maximum linewidth of the laser. Frequency noise spectra are recorded to give a deeper insight into the noise characteristics and are used to derive the intrinsic linewidth (linewidth excluding technical noise). Further, the characteristics of DFB and DBR lasers optimized for narrow linewidth operation are compared in terms of spectral stability, linewidth, and performance in a master oscillator power amplifier system. DFB as well as DBR laser show stable single mode operation over a wide current range. DFB lasers with a cavity length of 2 mm feature an intrinsic linewidth of 7 kHz at an output power of 116 mW and a minimum FWHM linewidth of 280 kHz at 65 mW. In contrast DBR lasers with an overall length of 4mm and a front facet reflectivity of 30% feature an intrinsic linewidth of 2 kHz at 180mW and a FWHM linewidth as small as 180 kHz up to an output power of 180mW. An intrinsic linewidth of 2 kHz is, to our knowledge, the smallest linewidth that has been reported in the literature so far. The concept of a hybrid integrated MOPA has been developed and the assembly procedure and the characteristics of the micro-integrated MOPA system are presented. The MOPA is realized on a footprint of 10 x 5 mm^2. The MOPA system features an output power of more than 1 W, a FWHM linewidth of 100 kHz and an intrinsic linewidth of 3.6 kHz. Aging tests of MOPA systems over 1000 h let us hope, that an overall lifetime of several thousand hours can be expected. In addition, vibrations loads did not result in a noticeable modification of the MOPA system performance. To our knowledge, this is the first micro-integrated MOPA concept that simultaneously features narrow linewidth and addresses the requirements of spaceborne laser sources like mechanical stability, compactness, and efficiency.show moreshow less
  • In dieser Arbeit wird eine halbleiterbasierte Laserquelle vorgestellt, welche die Anforderungen der kohärenten optischen Datenübertragung im All erfüllt und darüber hinaus die zahlreichen Vorteile von Halbleiterlasern nutzbar macht. Die Kombination aus geringer Linienbreite und hoher Ausgangsleistung wird durch ein hybrides "Master Oscillator Power Amplifier" (MOPA) Konzept erreicht. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird zunächst erklärt wie die Linienbreite der Laserquellen anhand einer ScIn dieser Arbeit wird eine halbleiterbasierte Laserquelle vorgestellt, welche die Anforderungen der kohärenten optischen Datenübertragung im All erfüllt und darüber hinaus die zahlreichen Vorteile von Halbleiterlasern nutzbar macht. Die Kombination aus geringer Linienbreite und hoher Ausgangsleistung wird durch ein hybrides "Master Oscillator Power Amplifier" (MOPA) Konzept erreicht. Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird zunächst erklärt wie die Linienbreite der Laserquellen anhand einer Schwebungsmessung charakterisiert wird. Dazu wurde sowohl ein "self-delayed heterodyner" (SDH) als auch ein "heterodyner" Messaufbau realisiert. Das "self-delayed heterodyne" Verfahren ermöglicht die Charakterisierung der Linienbreite einer einzelnen Laserquelle. Allerdings ist die Auflösung der SDH Messmethode durch die Länge der Verzögerungsfaser begrenzt. Aus diesem Grund wurde eine neuartige heterodyne Messmethode entwickelt, welche auf einem "schwachen" Frequenzlock zweier Laser beruht, wodurch eine nahezu unbegrenzte Auflösung erreicht wird. Die Analyse des Schwebungssignals basiert sowohl auf der direkten Auswertung des RF-Schwebungssignals als auch auf der Analyse von Frequenzrauschspektren. Die volle Halbwertsbreite (FWHM) der Linienbreite (Linienbreite, welche alle Rauschquellen beinhaltet) wird aus dem RF-Schwebungssignal abgeleitet. Frequenzrauschspektren geben die Rauscheigenschaften der Laserdiode wieder und werden zur Bestimmung der intrinsischen Linienbreite (Linienbreite ohne technische Rauscheinflüsse) verwendet. Des Weiteren wird die Charakteristik von linienbreiten-optimierten DFB und DBR Lasern im Hinblick auf spektrale Stabilität, Linienbreite und Verhalten in einem MOPA Konzept verglichen. Sowohl DFB als auch DBR Laser weisen einen stabilen single-mode Betrieb über einen weiten Strombereich auf. DFB Laser mit einer Resonatorlänge von 2 mm erreichen eine intrinsische Linienbreite von 7 kHz bei einer Ausgangsleistung von 116 mW und eine minimale FWHM Linienbreite von 280 kHz bei 65 mW. DBR Laser mit einer Gesamtlänge von 4 mm und einer Frontfacettenverspiegelung von 30% zeichnen sich durch eine intrinsische Linienbreite von 2 kHz bei 180 mW und eine FWHM Linienbreite von nur 180 kHz für Ausgangsleistungen bis 180 mW aus. Eine intrinsische Linienbreite von 2 kHz ist, unseres Wissens nach, die geringste intrinsische Linienbreite, über die bisher in der Literatur berichtet wurde. Ein hybrid integriertes MOPA-Konzept wurde auf einer Grundfläche von 10 x 5 mm^2 entwickelt. Die Aufbauschritte und die Charakteristik dieses mikro-integrierten MOPA Systems werden präsentiert. Das MOPA System zeichnet sich durch eine Ausgangsleistung von 1 W, eine FWHM Linienbreite von 100 kHz und eine intrinsische Linienbreite von 3,6 kHz aus. Alterungstests über 1000 h lassen auf eine gesamte Lebensdauer von mehreren tausend Stunden hoffen. Vibrationstests mit ähnlichen Anforderungen wie für die Qualifizierung eines "Laser Communication Terminals" (LCT) veränderten die Eigenschaften des MOPA Systems nicht wesentlich. Soweit uns bekannt, ist dies das erste mikro-integrierte MOPA Konzept, welches sowohl eine geringe Linienbreite besitzt als auch die Anforderung von Weltraumkomponenten, wie mechanische Stabilität, geringe Abmessungen und hohe Effizienz, erfüllt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Stefan Spießberger
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-36604
Advisor:Prof. Dr. Günther Tränkle
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/09/28
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2012/04/13
Release Date:2012/09/28
Tag:Halbleiterlaser; Linienbreite; Master Oscillator Power Amplifier; distributed Bragg reflector laser; kohärente optische Datenübertragung
coherent optical communication; distributed Bragg reflector laser; linewidth; master oscillator power amplifier; semiconductor laser
Institutes:Institut für Hochfrequenztechnik- und Halbleiter-Systemtechnologien
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)