Harici optik geri beslemenin yarı iletken enjeksiyon lazerlerine etkileri ve titreşim ölçümü

Abstract

Bir lazerin çıkışı, harici bir yansıtıcıdan geri yansıyarak lazerinin aktif bölgesine girdiğinde meydana gelen girişim nedeniyle lazerin hem çıkış gücünde hem de spektral özelliklerinde değişimlere neden olur. Bu durum, genellikle lazer ile kuplaj yapılan mercek, fiber optik kablo veya bir disk yüzeyi gibi yansıtıcı özelliğe sahip optik elemanlardan kaynaklı geri yansımalarla kendini göstermekte ve etkileri sistem performansını düşürmektedir. Bununla birlikte, kullanılan lazerin eşfazlı mesafesi içerisindeki bir yansıtıcının, mesafesi ve oluşan geri yansımaların şiddeti belirlenmiş sınırlar içerisinde kalacak şekilde kontrol edilmesi durumunda, yer değişim miktarı veya yansıtıcının mesafesi lazer dalgaboyunun yarısı hassasiyetinde ölçülebilmektedir. Lazer diyotların, çizgi genişliği büyüme faktörünün değeri diğer tip lazerlere nazaran çok büyük olması ve dolayısyla optik geri beslemeye hassasiyetinin daha fazla olması bu kapsamdaki çalışmalarda sıklıkla kullanılmasına neden olmuştur. Bu yönteme dayalı ölçüm cihazları, ticari ürün olarak hassasiyet ve maliyet yönünden diğerleriyle rekabet edebilmesi bu konudaki çalışmaları ivmelendirmiştir. Halihazırda, geliştirilen sinyal işleme teknikleri ile ölçüm hassasiyeti 100nm'nin de altına indirilebilmiş ve ölçüm cihazlarından, cep telefonlarına, bilgisayar fareleri veya klavyelere kadar geniş bir sahada kullanım yeri bulabilmiştir.Bu tez çalışması, lazer oran eşitlikleri kullanılarak zayıf yansımaların tek modlu lazer diyotlara olan etkilerinin Lang-Kobayashi modeline dayalı olarak teorik analizini, bu analiz sonucunda elde edilen faz ve güç denklemlerinin sayısal yöntemlerle çözülmesiyle geri yansımaya maruz bir lazer diyot çıkışının MATLAB ortamında simülasyonunu, optik geri beslemeli bir lazer diyot çıkışı kullanılarak yer değişim miktarı, hız ve mesafe ölçümünün temel yöntemlerini, farklı tipteki lazer diyotların optik geri besleme durumundaki çıkışlarının karşılaştırılmasını, gürültülü sinyallerin filtrelenmesini ve ölçüm hassasiyetini 100nm'nin altına düşürmek için faz açma ve optimizasyon içeren sinyal işleme yönteminin geliştirilmesi ve MATLAB ortamındaki simülasyonunu içermektedir.

A laser beam is back reflected from a reflector and re-enter inside the laser active region makes a interference with standing wave that causes a variation on intensity and spectral properties of the laser?s output. Generally, this phenomenon appears with back reflections from optical materials (lens, optical fiber, disk surface,etc.) coupled to laser source and the system performance is degraded because of the optical feedback effects. However, if the outside target?s distance from the laser is smaller than the laser coherent length, this type optical feedback can be used as displacement and distance measurement with half of the laser wavelength resolution when back reflection intensity and distance target are in defined limits. In the studies, laser diodes are much more used than other laser types because of the large LEF (linewidth enhancement factor). LEF determines the level of the optical feedback sensitivity. Nowadays, the measurement resolution is increased under 100nm with developing signal processing algorithm and usage of the method in commercial product spread out from measurement devices to handphones, computer mouses and keyboards.This thesis includes theorical analysis of the spectral variation and output power fluactuations of a single mode laser diode that exposed to weak optical feedback with laser rate equations based on Lang-Kobayashi model, behaviour of the laser diode with optical feedback simulations in MATLAB, basic methods of the displacement, velocity and distance measurement, comparision of the different type laser diodes according to optical feedback signal quality , de-noising of the optical feedback signal and devoloping a signal processing algortihm covering phase unwrapping and optimisation for increasing the measurement resolution under 100nm and it?s simulations in MATLAB.