Studiul teoretic al generării impulsurilor scurte în lasere DFB prin comutarea amplificării de către un curent trapezoidal

Vasile Tronciu; Veronica Dobrovolschi

doi:10.52673/18570461.26.2-81.04

Autori

Vasile Tronciu Universitatea Tehnică a Moldovei https://orcid.org/0000-0002-9164-2249
Veronica Dobrovolschi Universitatea Tehnică a Moldovei https://orcid.org/0000-0001-8361-9340

DOI:

https://doi.org/10.52673/18570461.26.2-81.04

Cuvinte cheie:

impulsuri cu durată de picosecunde, lasere DFB, comutarea amplificării, curent trapezoidal, moduri Bragg, moduri Fabry–Perot, modelul bazat pe ecuații de viteză

Rezumat

În această lucrare se analizează procesul de generare a impulsurilor optice de ordinul picosecundelor prin intermediul unui laser cu feedback distribuit (DFB), care funcționează în regim de comutare a amplificării sub influența unui curent de formă trapezoidală, utilizând un model bazat pe ecuații de viteză. A fost studiată numeric influența parametrilor principali, precum valoarea curentului injectat, factorul de confinare și reflectivitatea fațetei frontale, asupra caracteristicilor emergente ale impulsurilor optice. S-a constatat că variația acestor parametri determină modificări semnificative ale formei, puterii de vârf și duratei impulsului. S-a demonstrat că, pentru anumite valori ale parametrilor, se pot obține impulsuri aproape simetrice, fără maximul secundar din trenă. Au fost identificate domeniile parametrilor pentru care se realizează optimizarea caracteristicilor impulsurilor: puterea maximă depășește 15 W; durata impulsului este mai mică de 20 ps; maximul secundar din trenă lipsește. Rezultatele obținute pot constitui baza unor studii experimentale ulterioare și pot facilita utilizarea acestor sisteme în aplicații care necesită impulsuri optice de scurtă durată și putere înaltă.

Referințe

1. Michalik, M.; Szymanczyk, J.; Stajnke, M.; Ochrymiuk, T.; Cenian, A. Medical Applications of Diode Lasers, în: Pulsed versus Continuous Wave (cw) Regime, în: Micromachines, 2021, vol. 12, 710. https://doi.org/10.3390/mi12060710

2. Wenzel, H.; Klehr, A.; Schwertfeger, S.; Liero, A.; Homann, T.; Brox, O.; Thomas, M.; Erbert, G.; Trankle, G.; Compact sources for the generation of high-peak power wavelength-stabilized laser pulses in the picoseconds and nanoseconds ranges, în: Proceedings of SPIE, 2012, vol. 8241, 82410V. https://doi.org/10.1117/12.906320

3. Klehr, A.; Prziwarka, T.; Liero, A.; Hoffmann, T.; Pohl, J.; Fricke, J.; Wünsche, H.J.; Wenzel, H.; Heinrich, W.; Erbert, G. Generation of 7 W nanosecond pulses with 670 nm ridge-waveguide lasers, în: Proceedings of SPIE, 2016, vol. 9767, 976705. https://doi.org/10.1117/12.2208333

4. Tronciu, V.; Wenzel, H.; Knigge, A. Stability and dynamics of gain-switched semiconductor lasers, în: Semiconductor Science and Technology, 2020, vol. 35, 045029. https://doi.org/10.1088/1361-6641/ab74f0

5. Ryvkin, B.S.; Avrutin, E.A.; Kostamovaara, J.E.K.; Kostamovaara, J. T. Laser diode structures with a saturable absorber for high-energy picosecond optical pulse generation by combined gain- and Q-switching, în: Semiconductor Science and Technology, 2017, vol. 32, 025015.

https://doi.org/10.1088/1361-6641/32/2/025015

6. Zhukov, M.; Medvedev, A.; Belov, A. Picosecond optical pulse generator for high-power infrared and visible fiber lasers, în: Proceedings of the 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2023, 429-431.

https://doi.org/10.1109/EExPolytech58658.2023.10318764

7. Kusama, Y.; Tanushi, Y.; Yokoyama, M.; Kawakami, R.; Hibi, T.; Kozawa, Y.; Nemoto, T.; Sato, S.; Yokoyama, H. 7-ps optical pulse generation from a 1064-nm gain-swit-ched laser diode and its application for two-photon microscopy, în: Optics Express, 2014, vol. 22, 5746-5753.

https://doi.org/10.1364/OE.22.005746

8. Cao, F.; Jiang, D.; Liu, Y.; Tian, Y.; Ran, X.; Long, Y. Sub nanosecond Marx generators for picosecond gain-switched laser diodes, în: IEEE Photonics Journal, 2024, vol. 16 (1), 1500408, 1-8. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2023.3342450

9. Gadzhiev, I.M.; Buyalo, M.S.; Payusov, A.S.; Bakshaev, I.O.; Kolykhalova, E.D.; Portnoi, E.L. Generation of picosecond pulses by lasers with distributed feedback at a wavelength of 1064 nm, în: Technical Physics Letters, 2020, vol.46, 316-318.

https://doi.org/10.1134/S1063785020040069

10. Nakamura, T.; Ito, T.; Nakamae, H.; Kim, C.; Hazama, Y.; Kobayashi, Y.; Kuroda, R.; Akiyama, H. Direct generation of sub-picosecond pulses via multi-section gain switching, în: Optics Letters, 2021, vol. 46, 1277-1280. https://doi.org/10.1364/OL.409822

11. Zhang, C.; Zhang, Y.; Tong, Z.; Zou, H.; Zhang, H.; Zhang, Z.; Lin, G.; Xu, J. Theoretical analysis and experimental demonstration of gain switching for a PPM-based UWOC system with picosecond pulses, în: Optics Express, 2022, vol. 30, 38663-38673. https://doi.org/10.1364/OE.470063

12. Yokoyama, H.; Cui, Y.; Ajiki, S.; Takeuchi, K.; Yamada, H.; Higurashi, E.; Akiyama, H.; Peng, H.L. Novel nonlinear dynamics in strongly gain-switched semiconductor lasers, în: Proceedings of the Institute of Electronics, Information and Communication Engineers (IEICE) Proceedings Series, 2023, 494-496. https://doi.org/10.34385/proc.76.C2L-34

13. Riecke, S.; Wenzel, H.; Schwertfeger, S.; Lauritsen, K.; Paschke, K.; Erdmann, R.; Erbert, G. Picosecond spectral dynamics of gain-switched DFB lasers, în: IEEE Journal of Quantum Electronics, 2011, vol. 47(5), 715-722. https://doi.org/10.1109/JQE.2010.2096501

14. Tronciu, V.Z; Yamada, M.; Ohno, T.; Ito, S.; Kawakami T.; Taneya, M. Self-pulsation in an InGaN laser-theory and experiment, în: IEEE Journal of Quantum Electronics, 2003, vol. 39, no. 12, 1509-1514. https://doi.org/10.1109/JQE.2003.819541