Theoretical model of the model-locked hybrid soliton pulse source

Abstract

ÖZET MOD KİLİTLEMELİ MELEZ SOLİTON DARBE KAYNAĞININ KURAMSAL MODELİ SAYIN, Muhittin Doktora Tezi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. M. Sadettin ÖZYAZICI Ekim 1999, 122 sayfa Bu çalışmada mod kilitlemeli melez soliton darbe kaynağı (HSPS) için kuramsal bir model geliştirildi. HSPS sistemi bir çoklu quantum duvarlı (MQW) yan iletken lazer, bir fiber dış kovuk ve bir fiber Bragg ızgarasından (FBG) meydana gelmektedir. Mod kilitlemeli HSPS modelinde çiftli dalga denklemleri temel alındı. Bu denklemler parçalı doğrusal yaklaşımla aktarma matrisi şekline dönüştürüldü. Fiber Bragg ızgarasının adım değişikliği (chirp), pozlaması, uzunluğu ve modülasyon indisinin etkilerini hesaba katmak için, HSPS sistemi için ızgara parametrelerini hesaplayan ızgara modeli aktarma matrisi ile modellendi. Hesaplanan bu parametreler, istenilen frekansta mod kilitlemeli HSPS çıkışını hesaplayan HSPS programına aktarıldı. Mod kilitlemeli HSPS modelinde hem tüm lazer diyot ve ızgara parametreleri ve hem de lazer-fiber arası kavrama, yansıtmayan kaplama ve dış kovuğun sınır değerleri hesaba katıldı. Mod kilitlemeli sistem içinde herhangi bir noktadaki dalga ve ızgaranın sonundaki darbe çıkışı ve bunların spektrumu ve darbe genişlikleri program tarafından hesaplandı. Ayrıca, darbelerin dönüşüm sınırlı olup olmadığının kontrolü için darbelerin zaman-bant genişliği çarpımı da hesaplandı.Mod kilitlemeli HSPS programının, HSPS sisteminden darbe üretimini başarıyla modellediği bulundu. Giriş akımı frekansının tasarım frekansından farklı değerlerde verilmesi sonucunda, HSPS sistemine özgü dalga boyuna göre kendiliğinden ayarlanma sistemi de gözlendi. HSPS'in 2.2-3.0 GHz frekans aralığında düzgün olarak mod kilitlemesi yapabildiği bulundu. İzgaranın geniş bir aralıkta mod kilitlemesi yapabilen ve dönüşüm sınırlı darbe üretebilen HSPS sistemlerinde kullanılabilmesi için, hem doğrusal değişen adımlı hem de pozlamalı olması gerektiği bulundu. Lazer diyotun besleme parametreleri yanı sıra ızgara uzunluğu ve adım değişikliğinin de çıkış darbe süresini etkileyen en önemli parametreler olduğu da bulundu. Sonuçlar daha önce yayınlanmış deneysel verilerle kıyaslandı ve çok iyi benzeştikleri görüldü. Bu çalışmada geliştirilen kuramsal model düzgün olmayan ızgara içeren mod kilitlemeli melez darbe kaynağı için yapılmış bir tam modeldir. Anahtar kelimeler: Soliton darbe kaynağı, Mod kilitlemesi, Fiber Bragg ızgarası, Çoklu quantum duvarlı lazer. vı

ABSTRACT THEORETICAL MODEL OF THE MODE-LOCKED HYBRID SOLITON PULSE SOURCE SAYIN, Muhittin Ph. D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Prof. Dr. M. Sadettin ÖZYAZICI October 1999, 122 pages In this work, a theoretical model for the mode-locked hybrid soliton pulse source (HSPS) is developed. The HSPS system is made up of a multi-quantum well (MQW) semiconductor laser, a fiber and a fiber Bragg grating (FBG). The mode- locked HSPS model is based on the coupled-mode equations. These equations are converted into the transfer matrix form by using the piecewise-uniform approach. In order to take into account the effects of chirp, apodization, length and modulation index of the fiber Bragg grating, the grating is modeled with the transfer matrix that calculates the grating parameters for the HSPS system. These calculated parameters are then fed back into the HSPS model to calculate the output of the mode-locked HSPS at the desired frequency. The mode-locked HSPS is modeled taking all laser diode and grating parameters into account as well as fiber to laser coupling, antireflection coating and boundary conditions for the external cavity. The propagation of the field inside the mmode-locked system at any point, pulse output at the end of the grating, their spectrums and pulsewidths are calculated by the program. In addition, the time- bandwidth products of the pulses are also calculated in order to test if the pulses are transform-limited. It is found that the mode-locked HSPS program successfully simulates the pulse generation from the system. The novel wavelength self-tuning mechanism, a characteristic feature of the mode-locked HSPS, is also observed when the input drive current frequency is different from the cavity design frequency. HSPS can properly be mode-locked in 2.2-3.0 GHz range. It is also found that the grating must be both linearly chirped and apodized in order to be used in HSPS systems with a wide mode-locking frequency range and transform-limited output pulses. The most important parameters affecting the output pulsewidth are found to be the grating length and chirp, as well as the drive parameters of the laser diode. Results are compared with the experimental results in the literature and they have found to be fit well. The model developed in this work is a complete mode-locked hybrid pulse source model that incorporates a nonuniform grating. Keywords: Soliton pulse source, mode locking, Fiber Bragg grating, Multi-quantum well laser. IV