Stuttgart, Univ., Diss., 2006.

Universiẗat, Diss., 2006--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2005.

University, Diss., 2003--Bonn.

Die stetige Degradation von Halbleiterlasern, speziell bei Bleichalkogenidlasern, erfordert in spektroskopischen Systemen eine regelmäßige Überwachung typischer Eigenschaften wie Abstimmcharakteristik und Linienbreite. Im Hinblick auf einen möglichst hohen Automatisierungsgrad wird langfristig eine Online-Analysemethode zur Überwachung notwendig sein. Die üblicherweise verwendete Methode, den Laserarbeitspunkt über zugrunde liegende Modenkarten einzustellen, hat den gravierenden Nachteil, dass solche Modenkarten in der Regel nicht unter dynamischen Modulationsbedingungen vermessen wurden. Gerade im dynamischen Fall sind diese Karten empfindlich abhängig gegenüber Veränderungen durch Zyklieren und Degradieren des Lasers. Etalons (Etalonsignale) sind bezüglich der Abstimmcharakteristik nicht zuverlässig genug und von daher für eine wünschenswerte Automatisierung nicht ausreichen. Modensprünge oder schwache Rückkopplungseffekte lassen sich im Interferogramm nicht ohne weiteres identifiziert. Eine erweiterte Analyse der Störungen dieser Interferogramme im Zeit-Frequenzbereich mittels einer AOK(Adaptive Optimal Kernel)-Transformation erwies sich speziell bei Signalen mit wenigen Perioden als deutlich aussagekräftiger. Mittels optischer Homodynmischung wurde die Linienbreite von Bleichalkogenidlasern ermittelt. Bei inkohärenter Überlagerung entspricht die spektrale Verteilung der Mischung der Faltung der ursprünglichen Verteilung mit sich selbst. Der Laser wird dabei nicht abgestimmt, die optische Laufzeitverzögerung wurde mittels integrierter White-Zelle realisiert. Es wurde beobachtet, dass je nach Grad des Rauschens des Injektionsstroms, das Linienbreitenprofil von Lorentz nach Gauß überging. Mit einem externen CO2-Laser als lokalen Oszillator wurden Heterodynmessungen durchgeführt. Die Linienbreite eines CO2-Lasers ist mit wenigen kHz im Vergleich zu derjenigen eines Bleichalkogenidlasers vernachlässigbar und die Überlagerung erfolgt absolut inkohärent. Gemessen wurden spektrale Verteilungen mit typischem Lorentzprofil von 10 MHz bis zu 100 MHz und darüber hinaus. Auffällig waren häufig symmetrische Nebenpeaks, die in den Bereichen der Seitenflanken des Lorentzprofils auftraten. Anhand einer numerischen Simulation eines Modells einer Laserdiode, basierend auf Ratengleichungen mit für Bleichalkogenidlasern typischen Parameterwerten, konnte verdeutlicht werden, dass sich durch das nichtlineare Lasermodell ausgeprägte Vielfache von Resonanzen bereits im Abstand von 25 MHz ausbilden können. Derartige Resonanzen tauchen im E-Feld-Spektrum als typische Relaxationsoszillationen in den Seitenbändern wieder auf und erklären die in der Messung beobachteten Nebenpeaks innerhalb der spektralen Verteilung. Die Stärke der Seitenbänder ist ein Maß für die Korrelation zwischen Phasen- und Amplitudenfluktuationen. Das Modell für die numerische Berechnung des E-Feldes wurde mit einem thermischen Verhalten erweitert. Eine umfassende Charakterisierungsmethode zur automatisierten Einstellung eines modulierten Lasersystems muss dynamisch und zeitaufgelöst erfolgen. Die Auswertung optischer Mischfrequenzen beschränkt sich dabei nicht mehr auf die direkte Interpretation von einzelnen Spektren, sondern erweitert sich auf die Analyse im Zeit-Frequenzraum. Für eine direkte und schnelle Zeitfrequenztransformation bietet sich ein „Gefensterte Fouriertransformation“ (STFT) an, die sich außerdem relativ einfach in moderne Signalprozessortechnik implementieren lässt. Sie erweist sich als sehr robust und für die hier erforderliche Analyse von Heterodynsignalen als ausreichend. Mit der Festlegung des Analysefensters innerhalb einer STFT ist die Auflösung in Zeit und Frequenz fest definiert. Analysen von Mischsignalen mit einer kontinuierlichen Wavelettransformation haben vergleichsweise gezeigt, dass Details im Zeitfrequenzraum zwar besser herausgearbeitet werden können, jedoch ist der Rechenaufwand durch die variable Skalierung und somit stark redundante Analyse und ihre Darstellung unverhältnismäßig größer. Eine Analyse des Linienbreitenprofils erfolgt dabei über die Entwicklung der Skalierung eines Signals. Die über Heterodynsignale ermittelte effektive Linienbreite bei einer modulierten Abstimmung sollte eher als „dynamische“ oder „intrinsische“ Laserlinienbreite bezeichnet werden. Eine direkte Korrelation der Frequenzvariation des Lasers mit dem Stromrauschen des Injektionsstroms ist offensichtlich. Die wirksame Bandbreite des Stromrauschens wird durch die Systemelektronik einerseits und die Modulationsbandbreite des Lasers andererseits begrenzt. Außer den wichtigen Parametern wie Abstimmung und Linienbreite lassen sich über die dynamische Zeitfrequenzanalyse von Heterodynsignalen darüber hinaus weitere Phänomene wie Rückkopplung, Modenüberlagerung oder Einschwingverhalten aufgrund direkter Kopplung zwischen Intensitäts­ und Frequenzmodulation beobachten. / The continual degradation of semiconductor lasers, in particular with lead-chalcogenide lasers, requires a regular monitoring of typical characteristics such as tuning characteristics and linewidth. Considering a system requiring with a high degree of automation an online method of analysis will be required. The common used method of determining the laser operating point based on the mode charts does have the major disadvantage that the mode charts are based on dc current operation. In particular in the case of dynamic operation the mode emission is very sensitive to the temperature cycling history and resultant degradation of the device. Considering the tuning characteristics etalon signals are not reliable enough and are therefore not suitable for an automatic tuning system. Mode hops or weak feedback effects cannot be easily identified by such kind of interferogram. Further analysis of interference of etalon signals in time frequency domain using AOK (adaptive optimal kernel) transformation provided significant results particularly for signals of a low periodic nature. The linewidth of our laser diode source was determined using an optical homodyne mixing technique. In a non-coherent condition this spectral distribution of the mixing corresponds to the convolution of the original distribution with itself. The laser was not tuned and the necessary optical delay was realized by an integrated optical white cell. It could be clearly observed that depending on the level of laser injection noise current, the spectral profile changed from the Lorentzian to the Gaussian form. Heterodyne measurements using a CO2 laser as a local oscillator were carried out. The linewidth of CO2 laser with a few kHz is negligible in comparison with that of a lead-chalcogenide laser, the superposition is absolutely incoherent. Typical linewidths were measured with a Lorentzian profile from 10 MHz up to 100 MHz and above. In many cases symmetrical sidebands were noticed close to the main Lorentzian emission profile. With numerical simulations based on rate equations using typical values for lead- chalcogenide laser diodes, it could be shown that due to the nonlinearity of the laser model a number of harmonic resonance frequencies occur in intervals as low as 25 MHz from the main emission frequency. These kind of resonances can be detected in the E-field spectrum as typical relaxation oscillations and therefore explain the observed sidebands within the spectral distribution. The sideband magnitude is a measure of the correlation between phase and amplitude fluctuations. The model for the numerical calculation of the E-field was extended by including the effects of thermal behaviour. For an automated spectrometer system a comprehensive method of laser characterization will be necessary. They are based on a dynamical time resolved analysis of the optical mixing signals. The evaluation of this signals are not only concerned with the direct interpretation of the individual spectra but are also extended to include a time frequency domain analysis. A suitable method for and direct and rapid time-frequency transformation is the Short-Time-Fourier-Transform (STFT), which can be also relatively easily implemented using modern signal processing techniques. This method used proved to be quiet robust for the required analysis of heterodyne signals. By choosing a particular type of analysis window the STFT is defined in time and frequency resolution. Analysis of heterodyne signals with a continuous wavelet transformation has shown in comparison that fine signal details could be better extracted but increased computing time for redundant representation can not be justified in this case. Determination of the linewidth in the frequency domain is performed by interpretation the frequency scaling variation with time. Linewidth parameters derived from the heterodyne signals under modulated laser tuning should rather be called the ‘dynamic’ or ‘intrinsic’ laser linewidth. A direct correlation of laser frequency variation with the injection current noise is obviously. The effective bandwidth of the current noise is on the one hand limited by the system electronics and on the other hand on the modulation bandwidth of the laser. Apart from the most important parameters such as tuning and linewidth, various other phenomena such as optical feedback, mode superposition or transient response behaviour due to the direct relationship between frequency and intensity modulation can also be observed.

Zugl.: Köln, Univ., Diss., 2009