Analysis of semiconductor laser diodes for high bit-rate visible light communication. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_Thesis_Md_Hosne_Mobarok_Shamim_201534670.pdf Download (1MB) | Preview

Arabic Abstract

في الآونة الأخيرة، الصمامات الثنائية الباعثة للضوء المصممة باستخدام أشباه الموصلات أصبحت من أهم وسائل الإضاءة الداخلية الموفرة للطاقة، كما أنها توفر إمكانية استخدامها في الاتصالات البصرية باستخدام الضوء المرئي. في المقابل، ليزر أشباه الموصلات يمثل وسيلة أخرى للإضاءة والاتصال المتزامنين بفضل كفاءته الكمية وسعة إرسال البيانات بالمقارنة مع الصمامات الثنائية. في هذا العمل، تحرينا الخصائص الديناميكية لليزر أشباه الموصلات باستخدام طريقة ذات كفاءة مادية وهي التثبيت بالحقن الذاتي، بالأخص عرض الخط الطيفي وعرض نطاق التضمين الذي يحدد إمكانيات التضمين وبالتالي سرعة الاتصالات الضوئية المرئية. عرضنا التثبيت بالحقن الذاتي باستخدام الليزر المكون من اللونين الأخضر والأزرق و اللون الأحمر. تم تحقيق مسار التغذية الرجعية في الهواء باستخدام مرآة عاكسة. تم التحقق من تأثير التيار المحقون ونسبة القوة البصرية المحقونة على عرض الخط الطيفي وعرض نطاق التضمين. نتائجنا توضح أنه بالإمكان تحسين أداء الليزر باستخدام هذه الطريقة البسيطة. بالتحديد، تمكنا من الوصول إلى زيادة كبيرة تصل إلى 57% (1.53 جيجا هيرتز – 2.41 جيجا هيرتز) في عرض نطاق التضمين وخفض عرض الخط الطيفي إلى تسع العرض الأصلي (من 0.63 نانو متر إلى 0.07 نانو متر). بالتالي، نسبة قمع الأنماط الجانبية تحسنت بشكل ملحوظ مما سمح بتكون نمط طولي واحد لليزر باللونين الأخضر والأزرق. هذا العمل يمهد الطريق للوصول إلى اتصالات بصرية ذات سرعات عالية والتغلب على التحديات المتعلقة بعرض نطاق التضمين وسلبيات التشغيل المتعدد النمط لليزر. تم استخدام هذا النظام أيضًا لتحقيق سرعة نقل بيانات عالية باستخدام اتصالات الضوء المرئي. عرضنا معدل نقل بيانات يصل إلى 4 جيجا بت في الثانية باستخدام تضمين الإبدال بالفتح والغلق المقيد بعرض نطاق منصة الليزر (1 جيجا هيرتز) والحساسية المنخفضة للمكشاف الضوئي (0.12 - 0.5 أمبير لكل واط). هذا العمل يمثل خطوة في الطريق لتلبية الطلب على اتصالات ذات سرعة عالية وتطبيقات أخرى عديدة

English Abstract

Recently, the semiconductor light emitting diodes (LEDs) have taken center stage towards energy efficient indoor illumination, besides potentially offering high-speed Light Fidelity (LiFi) visible light optical wireless communication (VLC). On the other hand, visible semiconductor laser diodes (LDs) are now being considered as another promising solution for simultaneous illumination and communication, thanks to their high quantum efficiency and data transmission capacity compared to LEDs. In this work, we have investigated the dynamic characteristics of LDs via cost-effective self-injection locking scheme, particularly, the laser spectral linewidth and modulation bandwidth, which determines their direct modulation capabilities and hence the speed of VLC. We have demonstrated self-injection locking on InGaN/GaN (blue/green) and InGaP/AlGaInP (red) visible laser diodes. The optical feedback path was accomplished via free space and employing a reflective mirror. The effect of injection current and optical power injection ratio on the spectral linewidth and modulation bandwidth of the lasers are investigated. Our results show that the laser performance could be substantially improved by employing this simple assisting technique. In particular, we achieved a significant increase of ~57% (1.53 GHz – 2.41 GHz) in the modulation bandwidth and ~9 times (0.63 nm to 0.07 nm) reduction in spectral linewidth. Consequently, side-mode-suppression-ratio was considerably increased and enabled a single longitudinal mode operation, in green and blue lasers, respectively. This work paves the way for high speed optical wireless communications overcoming the challenges of limited modulation bandwidth and multi-mode operation of the visible laser diodes. We also have employed our system to achieve high data rate in a VLC communication link. We have demonstrated 4 Gbps data rate using On Off Keying (OOK) modulation scheme, which is only limited by the bandwidth of the laser mount (1 GHz) and low sensitivity of the photodetector (~0.12 – 0.5 A/W). This work is a step towards addressing the future demand for high speed communication and various other applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research > Engineering Physics Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Khan, Mohammed Zahed Mustafa
Committee Members:	Al-Ghadhban, Samir and Qureshi, Khurram Karim
Depositing User:	MD. HOSNE SHAMIM (g201534670)
Date Deposited:	08 Jul 2018 12:06
Last Modified:	31 Dec 2020 09:06
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140769