TUNABLE SEMICONDUCTOR VISIBLE LASER DIODE SYSTEM

TUNABLE SEMICONDUCTOR VISIBLE LASER DIODE SYSTEM. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Ms-Thesis-Sani Mukhtar.pdf
Restricted to Repository staff only until 5 November 2021.

Download (5MB)

Arabic Abstract

الليزر في المنطقة المرئية من الطيف الكهرومغناطيسي هي مصادر ضوء لا غنى عنها للعديد من التطبيقات مثل الضوئيات الحيوية ، والتحليل الطيفي ، والتصوير ، وما إلى ذلك ، والضوء المرئي الناشئ حديثًا بمعدل البت العالي والاتصالات اللاسلكية الضوئية تحت الماء ، والتي تعتبر الوصول في المستقبل إلى حلول تكميلية لاتصالات التردد الراديوي الحالية. بشكل عام ، يُفضل إصدار ليزر ضيق النطاق ، قريب من تشغيل الوضع الطولي الفردي ، أو بعبارة أخرى ، ليزر عرض خط بصري ضيق لهذه التطبيقات. إلى جانب ذلك ، فإن القدرة على ضبط الطول الموجي لبواعث الضوء هذه ضرورية لتوفير درجة أكبر من المرونة للأنظمة المنتشرة. في هذا الصدد ، يتوفر حاليًا إما ليزر غير أشباه الموصلات أو أشباه الموصلات. تُظهر مصادر الضوء السابقة ، والتي تحتها الليزرات ذات الحالة الصلبة والغازية والصبغية ، انبعاثًا ضيقًا للغاية وقدرة بصرية عالية. ومع ذلك ، فإن التحكم في أطوال موجاتهم لإظهار قابلية التوليف أمر غير بسيط ، إلى جانب كونه معقدًا وضخمًا ومكلفًا. من ناحية أخرى ، فإن ثنائيات الليزر القائمة على أشباه الموصلات التي تنبعث من منطقة اللون البنفسجي إلى الأحمر تعاني بطبيعتها من انبعاث الليزر الواسع الذي يتكون من عدة أوضاع طولية تشكل قيودًا على انتشارها العملي. ومع ذلك ، فقد تم مؤخرًا إثبات هندسة أجهزة الصمام الثنائي بالليزر من خلال دمج حواجز شبكية في شكل ردود فعل موزعة ، أو استخدام تقنيات مساعدة مثل التغذية الراجعة البصرية وقفل الحقن ، لتحقيق انبعاث ليزر ضيق النطاق وكذلك ضبط طول الموجة. هذا التحسن السريع والكبير في أداء الثنائيات الليزرية المرئية لأشباه الموصلات Fabry Perot ، جنبًا إلى جنب مع خصائصها البسيطة والفعالة من حيث التكلفة ، تجعلها مصادر إرسال محتملة في الضوء المرئي والاتصالات اللاسلكية الضوئية تحت الماء. في هذا العمل ، نقترح نظام ليزر قابل للضبط يعتمد على ليزر أشباه الموصلات المرئي والذي يستخدم مخطط قفل الحقن الذاتي المساعد ومنشور التشتت ، لإثبات عرض خط بصري ضيق جنبًا إلى جنب مع تسجيل النطاق العريض وقابلية ضبط الطول الموجي شبه المستمر. يتم إجراء تحقيق شامل في خصائص أداء هذا النظام المقترح ، مثل الثبات ، والقوة البصرية ، ونسبة كبت الوضع الجانبي (SMSR) ، وما إلى ذلك ، مما يزيد من تحسين قدرتها على التعديل أيضًا. كتوضيح ، تم أيضًا إنجاز اتصال داخلي بالضوء المرئي يستخدم تقنية قفل التشغيل والإيقاف لإثبات هذه الحقن التي تم قفل صمامات الليزر المرئية كمصادر ضوئية محتملة ليس فقط للضوء المرئي بمعدل بت عالي والاتصال اللاسلكي البصري تحت الماء ، ولكن أيضًا من أجل المجالات التخصصية مثل التحليل الطيفي والضوئيات الحيوية والتصوير وما إلى ذلك.

English Abstract

Lasers in the visible region of the electromagnetic spectrum are indispensable light sources for a multitude of applications such as biophotonics, spectroscopy, imaging, etc., and the recently emerging high bit-rate visible light and underwater optical wireless communications, which are considered future last-mile access complementary solutions to the existing radio-frequency communication. In general, a narrow band lasing emission, close to single longitudinal mode operation, or in other words, narrow optical linewidth lasers are preferred for these applications. Besides, the ability to tune the wavelength of these light emitters is essential for providing a larger degree of flexibility to the deployed systems. In this regard, either non-semiconductor or semiconductor material based lasers are presently available. The former light sources, under which are the solid-state-, gas-, dye-based lasers, generally exhibit extreme narrowband emission and high optical power. However, controlling their wavelengths to exhibit tunability is non-trivial, besides being complex, bulky, and costly. On the other hand, semiconductor-based laser diodes emitting in violet to red color region inherently suffer from broad lasing emission consisting of several longitudinal modes that pose a limitation to their practical deployment. Nevertheless, engineering the laser diode devices by incorporating gratings in the form of distributed feedback, or utilizing assisting techniques such as optical-feedback and injection locking, to achieve narrowband lasing emission as well as wavelength tunability has been very recently demonstrated. This rapid and significant improvement in the performance of the visible semiconductor Fabry Perot laser diodes, together with their compactness, simple and cost-effective features, makes them potential transmitter sources in visible light and underwater optical wireless communications. In this work, we propose a modified visible semiconductor laser-based tunable laser system that employs an assistive self-injection locking scheme and a dispersive prism, to demonstrate a narrow optical linewidth along with record broadband and near-continuous wavelength tunability. A comprehensive investigation of the performance characteristics of this proposed system, such as stability, optical power, side-mode-suppression-ratio (SMSR), etc. are performed, which further improve their modulation capability as well. As a demonstration, an indoor visible light communication employing on-off keying technique is also accomplished to substantiate these injections locked visible laser diodes as potential light sources for not only high bit rate visible light and underwater optical wireless communication, but also other multi-disciplinary fields such as spectroscopy, bio-photonics, imaging, etc.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Physics
Electrical
Department: College Of Engineering Sciences > Electrical Engineering Dept
Committee Advisor: Mustafa Khan, Mohammed Zahed
Committee Members: Karim Qureshi, Kurram and Arshad Nasir, Ali
Depositing User: SANI MUKHTAR (g201802620)
Date Deposited: 26 Nov 2020 11:20
Last Modified: 26 Nov 2020 11:20
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141735