Dual-Comb Interferometry based on Gain-Switched Semiconductor Lasers
Authors:   , Quevedo Galán Clara 
Published: February 2025

Dual-comb interferometry is a sensing technique that harnesses the unique properties of optical frequency combs. It enables to measure the complex response of a sample with unprecedented spectral resolution and precision, as multiple spectral lines simultaneously interrogate the sample. The multiheterodyne nature of the technique, which relies on the beating of two optical frequency combs with slightly different repetition rates, allows to down-convert and compress the optical information into narrow radio frequency bandwidths. Unlike traditional sensing methods, these systems do not have moving parts, and the full information of a sample can be retrieved in a single and fast acquisition using low-bandwidth electronics. Since the first demonstrations in the early 2000s, dualcomb interferometry has shown great potential for a wide range of applications, including spectroscopy, ranging, imaging, and distributed sensing.

The deployment of dual-comb systems in field applications beyond the laboratory environment demands systems that are stable, portable, and inexpensive. To meet these requirements, comb sources based on semiconductor lasers have emerged as ideal candidates due to their well-known characteristics in terms of efficiency, compactness, and cost. Furthermore, the ability to integrate these dual-comb generators into photonic chips is a crucial factor in advancing the scalability of the technology. In this thesis, a dual-comb interferometer based on semiconductor lasers is demonstrated, and its performance is evaluated for absorption spectroscopy and ranging. The selected comb generators gain-switched lasers are particularly appealing owing to their simplicity and frequency agility.

The motivation and novelty of this dissertation is the enhancement of the versatility of gain-switched dual-comb interferometers, achieved by extending the line spacing of the optical frequency combs to low repetition rates in the MHz and sub-MHz range. In the field of spectroscopy, the proposed system enhances the spectral resolution of existing gain-switched dual-comb spectrometers by more than two orders of magnitude. Firstly, by using two gain-switched combs driven by pulsed gain-switching signals. Then, by densifying the combs via pseudorandom phase modulation. As a result, the proposed system opens the possibility of employing gain-switched frequency combs in high-resolution spectroscopy. In the field of ranging, the use of low-repetition-rate combs results in an increase of the non-ambiguity range. The developed system allows to resolve distances on the order of tens of meters without employing disambiguation techniques. Last, in pursuit of reducing the cost of dual-comb interferometers, the suitability of software-defined radio devices as digitizers is presented and demonstrated. The novel use of these devices in the receiver end of dual-comb systems represents a significant advancement towards the development of cost-effective dual-comb technology.

Finally, in the last experimental section of this thesis, dual-comb interferometry using two microresonator-based optical frequency combs is explored. The outcomes, resulting from a three-month international research stay, successfully demonstrate the measurement of the phase profile of an interrogated sample with a system comprising two microcombs mutually-pumped by a single continuous-wave laser.

RESUMEN

La interferometría realizada con peines de frecuencia dual es una técnica de sensado que aprovecha la singularidad de los peines de frecuencias ópticas. Esta técnica permite medir la respuesta compleja de una muestra con alta resolución espectral y precisión, pues múltiples líneas espectrales interrogan dicha muestra de forma simultánea. La naturaleza multiheterodina de la técnica, basada en la interferencia de dos peines de frecuencias ópticas con tasas de repetición ligeramente diferentes, permite la conversión a la baja y la compresión de la información desde el dominio óptico hasta el dominio de la radiofrecuencia. A diferencia de los interferómetros tradicionales, estos sistemas no tienen partes móviles y toda la información de la muestra se puede recuperar en una sola adquisición, con tiempos de medida rápidos, y utilizando electrónica de bajo ancho de banda. Desde las primeras demostraciones a principios de los 2000, la interferometría con peines de frecuencia dual ha demostrado gran potencial para numerosas aplicaciones, entre las que se incluyen la espectroscopía, la medida de distancias, técnicas de imagen y el sensado distribuido.

El despliegue de sistemas de peine dual en aplicaciones de campo requiere de sistemas que sean estables, portátiles y cuyo coste no sea muy elevado. En este contexto, las fuentes de peines de frecuencias ópticas basadas en láseres semiconductor surgen como candidatos ideales debido a sus bien conocidas características en términos de eficiencia, compacidad y coste. Además, la capacidad de integrar estos generadores de peine dual en chips fotónicos es un factor clave para el avance en la escalabilidad de esta tecnología. En esta tesis se desarrolla un interferómetro de peine dual basado en láseres semiconductor, y se evalúa su rendimiento para espectroscopía de absorción y medida de distancias. Los generadores de peine seleccionados láseres conmutados por ganancia resultan particularmente atractivos debido a su sencillez y sintonización en frecuencia.

La motivación y novedad de esta tesis doctoral es el aumento de la versatilidad de los interferómetros de peine dual conmutados en ganancia a través de la reducción del espaciado de línea de los peines hasta el rango de los MHz y sub-MHz. Para aplicaciones de espectroscopía, el sistema propuesto mejora la resolución espectral de los espectrómetros de peine dual conmutados en ganancia existentes en más de dos órdenes de magnitud. Primero, utilizando dos peines conmutados en ganancia empleando señales pulsadas para la conmutación. Después, con la densificación de los peines a través de la modulación pseudoaleatoria de la fase de los pulsos ópticos. Como resultado, el sistema propuesto abre la posibilidad de emplear peines duales conmutados en ganancia en espectroscopía de alta resolución. Para aplicaciones de medida de distancias, el uso de peines de frecuencia con tasas de repetición bajas permite incrementar el rango de no ambiguedad. El sistema desarrollado permite resolver distancias del orden de decenas de metros sin emplear técnicas para romper la ambiguedad. Por último, con objeto de reducir el coste de los interferómetros de peine dual, se presenta y demuestra la idoneidad de los dispositivos de radio definida por software como digitalizadores. El uso novedoso de estos dispositivos en el extremo receptor de sistemas de peine dual representa un avance significativo hacia el desarrollo de una tecnología de bajo coste.

Finalmente, en la última sección experimental de esta tesis se explora la interferometría de peine dual utilizando dos peines de frecuencias ópticas basados en microresonadores. Los resultados, fruto de una estancia internacional de tres meses de duración, demuestran la medida del perfil de fase de una muestra interrogada con un sistema comprendido por dos peines basados en microresonadores, bombeados por un único láser de onda continua.