Experimental study of the coherence of the light emitted by a semiconductor laser with optical feedback
Authors:   , Duque Gijón María 
Published: January 2025

(English) Semiconductor lasers are part of our daily lives, finding applications in telecommunications, sensing, metrology, and biomedicine due to their compact size, efficiency, and versatility. This thesis explores how optical feedback influences the temporal and spatial coherence of semiconductor lasers through a technique based on random intensity patterns, i.e., speckle.

Optical feedback involves reinjecting part of the emitted laser light through an external reflector, inducing various nonlinear dynamics operating regimes. While much research has focused on optical feedback's effects on temporal coherence, its impact on spatial coherence is less studied. This thesis proposes the speckle contrast analysis to study the coherence of semiconductor laser light under optical feedback. Speckle patterns arise from the interference of coherent light when it propagates through a diffusive medium. This technique enables the quantification of the coherence of the light providing, valuable insights into the spatial coherence of laser light. High speckle contrast patterns reveal valuable information about both the laser light and the diffusive medium. However, speckle can degrade image quality in imaging applications, requiring speckle mitigation. The thesis aims to study how optical feedback affects the coherence of the light emitted by a semiconductor laser, with the particular goal of identifying conditions where feedback reduces the light coherence and, consequently, the speckle contrast.

The first part of this thesis investigates the emergence and evolution of coherence during the laser turn-on transition under different optical feedback scenarios with respect to the non feedback scenario, using a mirror and a diffractive grating as reflectors, and using a multimode fiber as a diffusive medium.

The second part proposes a procedure to differentiate between temporal and spatial coherence using speckle pattern analysis with three different diffusive mediums: multimode fiber, multimode fiber and a diffuser, and single-mode fiber and a diffuser. By analyzing speckle contrast and relating it with optical spectrum measurements, we reveal the evolution of the coherence in a solitary and optically fed back semiconductor laser across a huge range of pump currents, highlighting the difference between temporal and spatial coherence. Complementary to speckle contrast technique we have made use of the spatial entropy measure to unveil nonlinear spatial correlations between pixel values of speckle images.

This thesis also investigates the impact of sinusoidal modulation in the pump current on the coherence of semiconductor lasers with optical feedback. The modulation amplitude and frequency play a crucial role in influencing coherence. The goal is to identify the optimal modulation conditions under which a fed back semiconductor laser emits light with lower spatial and temporal coherence compared to scenarios without modulation.

Finally, this thesis includes a chapter on the impact of optical injection on the timing jitter of a semiconductor laser. Timing jitter refers to the variability in the timing of emitted light pulses from the semiconductor laser, which can significantly impact the precision of optical systems, as the optical analog-to-digital converters.
This study was carried out at the Photonics Laboratory at IFCA under the supervision of Dr. Ana Quirce, as a secondment.

This thesis is devoted to an experimental study of the effects of Optical feedback or optical injection on the temporal and spatial characteristics of the output emission of semiconductor lasers.

(Català) Els làsers de semiconductor són presents en molts àmbits de la nostra vida quotidiana fruit de la seva mida compacta, eficàcia i versatilitat. Trobem aplicacions en telecomunicacions, sensors, metrologia i biomedicina. Aquesta tesi investiga l'impacte de la retroalimentació òptica en la coherència temporal i espacial dels làsers de semiconductor utilitzant una tècnica basada en patrons d’intensitat aleatòria, i. e, speckle.

La retroalimentació òptica consisteix en reinjectar part de la llum del làser a través d'un reflector extern, induint una dinàmica altament no lineal. Tot i que el seu efecte en la coherència temporal ha estat àmpliament investigat, el seu impacte en la coherència espacial és menys conegut. En aquesta tesi es proposa utilitzar l'anàlisi del contrast de speckle per quantificar la coherència de la llum emesa per un làser de semiconductor sota retroalimentació òptica. Els patrons de speckle sorgeixen de la interferència de la llum coherent en un medi difusiu i permeten quantificar la coherència espacial de la llum làser. Els patrons de speckle amb alt contrast revelen informació útil tant de la llum làser com del medi difusor. D’altra banda, en aplicacions d'imatge, l'efecte de l’speckle degrada la qualitat de la mateixa, per la qual cosa és necessari mitigar-lo. L'objectiu és examinar com la retroalimentació òptica afecta la coherència de la llum dels làsers de semiconductor, reduint la coherència de la llum i, en conseqüència, el contrast de l’speckle.

La primera part d'aquesta tesi estudia l'aparició i evolució de la coherència durant l'engegada del làser en diferents escenaris de retroalimentació òptica, comparats amb un escenari sense retroalimentació, utilitzant un mirall i una xarxa de difracció i emprant una fibra multimode com a medi difusor.

La segona part proposa un mètode per diferenciar la coherència temporal i espacial analitzant patrons de speckle amb tres medis difusors: fibra multimode, fibra multimode amb difusor òptic i fibra monomode amb difusor òptic. En relacionar el contrast del speckle amb mesures de l'espectre òptic, es revela l'evolució de la coherència en un làser de semiconductor, tant en solitari com amb retroalimentació òptica, al llarg d'un ampli rang de corrents d'injecció, ressaltant les diferències entre coherència temporal i espacial. Juntament amb la tècnica de contrast de speckle, hem utilitzat la mesura d'entropia espacial per descobrir correlacions no lineals entre els píxels de les imatges de motlle

A més, s'investiga l'impacte de la modulació sinusoidal en la corrent d'injecció sobre la coherència dels làsers de semiconductor amb retroalimentació òptica, avaluant com l'amplitud i freqüència de la modulació afecten la coherència espacial i temporal en comparació amb escenaris sense modulació.

Finalment, aquesta tesi inclou un capítol sobre l'impacte de la injecció òptica d'un làser de semiconductor. Aquesta variabilitat es refereix a les fluctuacions en el temps d'emissió dels polsos de llum emesos pel làser de semiconductor, la qual cosa pot afectar significativament la precisió de sistemes òptics, com els convertidors òptics d'analògic a digital.
Aquest estudi es va realitzar al Laboratori de Fotònica de l'IFCA (Institut de Física de Cantàbria) sota la supervisió de la Dra. Ana Quirce, com a part d'una estada de recerca predoctoral.

Aquesta tesi presenta un estudi experimental dels efectes de la retroalimentació òptica o la injecció òptica en les característiques temporals i espacials de l'emissió dels làsers de semiconductor.

(Español) Los láseres de semiconductor forman parte de nuestra vida cotidiana, encontrando aplicaciones en telecomunicaciones, sensores, metrología y biomedicina debido a su tamaño compacto, eficacia y versatilidad. Esta tesis investiga el impacto de la retroalimentación óptica en la coherencia temporal y espacial de los láseres de semiconductor utilizando una técnica basada en patrones de intensidad aleatoria, i.e, speckle.

La retroalimentación óptica consiste en reinyectar parte de la luz del láser a través de un reflector externo, induciendo diversos regímenes dinámicos no lineales. Aunque su efecto en la coherencia temporal ha sido ampliamente investigado, su impacto en la coherencia espacial es menos conocido. Esta tesis propone utilizar el análisis del contraste de speckle para investigar la coherencia de la luz de los láseres de semiconductor bajo retroalimentación óptica. Los patrones de speckle, que surgen de la interferencia de la luz coherente en un medio difusivo, permiten cuantificar la coherencia espacial de la luz láser. Los patrones speckle con alto contraste revelan información útil tanto de la luz láser como del medio difusor. Sin embargo, en aplicaciones de imagen, el efecto de speckle degrada la calidad de la misma, por lo que es necesario mitigarlo. El objetivo es examinar cómo la retroalimentación óptica afecta la coherencia de la luz de los láseres de semiconductor, identificando condiciones que reduzcan la coherencia de la luz y, en consecuencia, el contraste de speckle.

La primera parte de esta tesis estudia la aparición y evolución de la coherencia durante el encendido del láser en distintos escenarios de retroalimentación óptica, comparados con un escenario sin retroalimentación, usando un espejo y una red de difracción, y empleando una fibra multimodo como medio difusor.

La segunda parte propone un método para diferenciar coherencia temporal y espacial analizando patrones de speckle con tres medios difusores: fibra multimodo, fibra multimodo con difusor óptico, y fibra monomodo con difusor óptico. Al relacionar el contraste del speckle con medidas del espectro óptico, se revela la evolución de la coherencia en un láser de semiconductor, tanto en solitario como con retroalimentación óptica, a lo largo de un amplio rango de corrientes de inyección, resaltando las diferencias entre coherencia temporal y espacial. Junto con la técnica de contraste de speckle, usamos la entropía espacial para revelar correlaciones no lineales entre los píxeles en imágenes de speckle.

Asimismo, se investiga el impacto de la modulación sinusoidal en la corriente de inyección sobre la coherencia de los láseres de semiconductor con retroalimentación óptica, evaluando cómo la amplitud y frecuencia de la modulación afectan la coherencia espacial y temporal en comparación con escenarios sin modulación.

Esta tesis, además, incluye un capítulo sobre el impacto de la inyección óptica en la variabilidad temporal de un láser de semiconductor. Dicha variabilidad se refiere a las fluctuaciones en el momento de emisión de los pulsos de luz emitidos por el láser de semiconductor, lo que puede afectar significativamente la precisión de los sistemas ópticos, como los convertidores analógico-digitales.
Este estudio se realizó en el Laboratorio de Fotónica del IFCA (Instituto de Física de Cantabria) bajo la supervisión de la Dra. Ana Quirce, como parte de una estancia de investigación predoctoral.

Esta tesis se dedica a un estudio experimental de los efectos de la retroalimentación óptica o la inyección óptica en las características temporales y espaciales de la emisión de los láseres de semiconductor.