Abstract In this thesis, a new type of laser diode transmitter using enhanced gain-switching suitable for use with a single photon avalanche diode (SPAD) detector was developed and tested in the pulsed time-of-flight laser range finding (lidar) application. Several laser diode versions were tested and the driving electronics were developed. The driving electronics improvements enabled a pulsing frequency of up to 1 MHz, while the maximum laser output power was about 5–40 W depending on the laser diode dimensions. The large output power is advantageous especially in conditions of strong photon noise emerging from ambient light outdoors. The length of the laser pulse matches the jitter of a typical SPAD detector providing several advantages. The new laser pulser structure enables a compact rangefinder for 50 m distance measurement outdoors in sunny conditions with sub-centimeter precision (σ-value) at a valid distance measurement rate of more than 10 kHz, for example. Single photon range finding techniques were also shown to enable a char bed level measurement of a recovery boiler containing highly attenuating and dispersing flue gas. In addition, gated single photon detector techniques were shown to provide a rejection of fluorescent photons in a Raman spectroscope leading to a greatly improved signal-to-noise ratio. Photonic effects were also studied in the case of a pulsed time-of-flight laser rangefinder utilizing a linear photodetector. It was shown that signal photon noise has an effect on the optimum detector configuration, and that pulse detection jitter can be minimized with an appropriate timing discriminator. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin uudentyyppinen, tehostettua "gain-switchingiä" hyödyntävä laserdiodilähetin käytettäväksi yksittäisten fotonien avalanche-ilmaisimien (SPAD) kanssa, ja sitä testattiin pulssin lentoaikaan perustuvassa laseretäisyysmittaussovelluksessa. Useita laserdiodiversioita testattiin ja ohjauselektroniikkaa kehitettiin. Ohjauselektroniikan parannukset mahdollistivat jopa 1 MHz pulssitustaajuuden, kun taas laserin maksimiteho oli noin 5–40 W riippuen laserdiodin dimensioista. Suuri lähtöteho on edullinen varsinkin vahvoissa taustafotoniolosuhteissa ulkona. Laserpulssin pituus vastaa tyypillisen SPAD-ilmaisimen jitteriä tarjoten useita etuja. Uusi laserpulssitinrakenne mahdollistaa esimerkiksi kompaktin etäisyysmittarin 50 m mittausetäisyydelle ulkona aurinkoisessa olosuhteessa mm–cm -mittaustarkkuudella (σ-arvo) yli 10 kHz mittaustahdilla. Yksittäisten fotonien lentoaikamittaustekniikan osoitettiin myös mahdollistavan soodakattilan keon korkeuden mittauksen, jossa on voimakkaasti vaimentavaa ja dispersoivaa savukaasua. Lisäksi portitetun yksittäisten fotonien ilmaisutekniikan osoitettiin hylkäävän fluoresenssin synnyttämiä fotoneita Raman-spektroskoopissa, joka johtaa selvästi parempaan signaali-kohinasuhteeseen. Fotoni-ilmiöitä tutkittiin myös lineaarista valoilmaisinta hyödyntävän pulssin kulkuaikamittaukseen perustuvan lasertutkan tapauksessa. Osoitettiin, että signaalin fotonikohina vaikuttaa optimaaliseen ilmaisinkonfiguraatioon, ja että pulssin ilmaisujitteri voidaan minimoida sopivalla ajoitusdiskriminaattorilla.

Abstract Although gain-switching is a simple, well-established technique for obtaining ultrashort optical pulses generated with laser diodes, the optical energy in a pulse achievable from commercial structures using this technique is no more than moderate and the ‘spiking’ behaviour seen at turn-on is likely to evolve into trailing oscillations. This thesis investigates, develops and improves laser diodes in order to offer experimentally verified solutions for maximizing the optical energy so as to achieve a peak power of several watts in a single optical pulse of picosecond-range duration in the gain-switching operation regime, and for suppressing the energy located in any trailing pulses to a negligible level relative to the total optical pulse energy. This was addressed by means of either (i) an ultrashort pump current pulse with an amplitude range ~(1–10) A or (ii) custom laser diode structures, both options being capable of operating uncooled at room temperature (23±3°C). For the first solution a unique superfast gallium arsenide (GaAs) avalanche transistor was utilized as a switch in order to achieve an injection current pulse with a duration of < 1 ns, which is short enough to generate only a first optical ‘spike’ when pumping a commercial laser diode. The most promising structure with regard to the second solution was an edge-emitting semiconductor laser having a strongly asymmetric broadened double heterostructure with a relatively thick active layer. Laser pulses with full width at half maximum (FWHM) of ~100 ps and an optical energy of >3 nJ but with some trailing oscillations were achieved in experiments employing injection current pulses in the nanosecond range with an amplitude of ≤17 A, generated using inexpensive silicon (Si) electronics. The performance was improved by introducing a saturable absorber (SA) into the laser cavity, which suppressed the formation of trailing oscillations, resulting in a single optical pulse. / Tiivistelmä ”Gain switching” (vahvistuskytkentä) on tunnettu tekniikka lyhyiden (<100 ps) optisten pulssien generoimiseen laserdiodeilla. Kaupallisia laserdiodirakenteita käyttäen optinen energia rajoittuu kuitenkin 10…100 pJ:n tasolle. Tällöinkin, erityisesti suurilla energiatasoilla, optisessa pulssissa ilmenee voimakkaita jälkioskillaatioita. Tässä väitöskirjassa tutkittiin ja kehitettiin kokeellisesti varmennettuja laserdiodilähetinrakenteita tavoitteena saavuttaa >1 nJ:n optisen pulssin energia ja ~100 ps:n pulssinpituus gain-switching -toimintamoodissa. Tavoitteena oli myös minimoida jälkipulssien energia. Tutkimuksen pääsisältönä on kaksi toimintaperiaatetta: Toisessa tekniikassa päähuomio kohdistuu laseridiodin virta-ajuriin, johon kehitettiin elektroniikka, joka kykenee tuottamaan nopeita virtapulsseja laajalla pulssivirta-alueella. Virtapulssin nopeuden kasvattamisen (<1 ns) osoitettiin edistävän gain switching -ilmiötä. Toisena tekniikkana tutkittiin räätälöityä laserdiodirakennetta, joka sisäisen toimintansa perusteella tuottaa dynaamisessa ohjaustilanteessa tehokkaan ja nopean laserpulssin. Kummankin periaatteen osoitettiin toimivan huonelämpötilassa (23±3°C) ilman erillistä jäähdytystä. Ensimmäisessä ratkaisussa käytettiin nopeaa gallium-arsenidi (GaAs) -avalanchetransistoria virtakytkimenä, jolla saavutettiin <1 ns FWHM injektiovirtapulssi 10 A:n virtatasolla. Tällainen virtapulssi on riittävän lyhyt virittämään ”gain switching” -ilmiön nJ-energiatasolla. Lupaavin rakenne toiseksi ratkaisuksi oli reunaemittoiva puolijohdelaseri, jossa epäsymmetrinen aaltoputki ja aktiivinen alue ovat sijoitettu normaalista laserdiodirakenteesta poiketen rinnakkain. Tällä rakenteella voitiin tuottaa ~100 ps levyisiä (FWHM) ja >3 nJ optisen kokonaisenergian omavia laserpulsseja edullisella pii-pohjaisella (Si) elektroniikalla luoduilla 1.5–2 ns:n (FWHM) ≤17 A injektiovirtapulsseilla. Suorituskykyä saatiin edelleen parannettua istuttamalla saturoiva absorbaattori (SA) laserin optiseen onteloon. Tämän osoitettiin vähentävän jälkioskillaatioiden muodostumista.