Suppression of Mode-hop on Littrow Configuration External Cavity Diode Tunable Laser

Abstract

This thesis presents an approach for suppressing mode-hops on a Littrow configuration external cavity diode laser (ECDL). The ECDL system is designed to tune across a wide frequency range linearly and continuously in the order of several tens of wavelengths for spectroscopic sensor applications. By coupling an optical gain chip with an external piezo actuated grating mount, the cavity length and grating angle in the ECDL can be adjusted independently, allowing mode-hop free tuning range. However, extended cavity length degrades free spectral range of the longitudinal mode on optical cavity and increase opportunity of mode-hops on the laser system. Furthermore, imperfect laser alignment leads to mode-hops during wavelength tuning and interrupt continuous wavelength scanning ability. The laser components such as gain chip and piezo actuated grating module specified in this study were operated by an appropriately assigned laser controller and motor controller. As a result, gain chip maintained a constant temperature of 25℃ and operating current of 300mA, respectively. This study shows theoretically and experimentally that it is necessary to implement mode-hop suppression applications including damping external vibration, reducing kinematic stress flow on fixture components, and avoiding ambient temperature drifts. Once all the mode-hop suppression procedures have been implemented, mode-hop free tunability was enhanced from 0.8nm to 44nm.|주파수 영역 광 반사계(OFDR)는 광학 장비 및 광섬유의 선로를 이용하여 온도 분포를 측정하고 감시할 수 있는 유용한 기술이다. OFDR센서의 측정 범위 내에서 측정값이 얼마나 정확한지 검사하기 위하여 파장 가변레이저를 센서에 적용하고 있다. 본 연구에서 120nm의 넓은 파장 가변 폭을 가진 외장형 공진기 레이저를 Littrow 구성으로 설계를 하였다. 하지만, 일반적으로 레이저의 파장 가변을 진행할 때 mode-hopping으로 인하여 파장 정확도가 저하되며 측정 데이터의 비선형성과 연속적 파장 가변에도 악영향을 미치게 된다. Mode-hopping이 억제되지 않은 환경에서 레이저를 작동하였을 때 역시나 0.8nm의 짧은 연속적인 튜닝 범위를 검출하였다. Littrow 구성의 외장형 공진기 레이저에서 출력되는 파장은 공진기의 길이와 회절격자의 회절각에서 정의된다. 각 파장 값이 다를 경우, 회절격자와 공진기 길이에 의한 gain및 amplification이 일치하지 않아 mode-hopping이 발생하게 된다. 즉, Littrow 구성에서 정의되는 두 파장의 값이 항상 일치하게 변화 도록 레이저 alignment를 진행하여만 한다. 본 연구에서는 mode-hopping을 억제하기 위하여 추가적으로 공진기의 길이 변화에 직접적인 악영향 미치는 진동 또는 공진기 고정물에 흐르는 kinematic stress로 인한 공진기 변형이 일어나지 않도록 주의하여 실험을 진행하였다. 그 결과, mode-hopping이 억제된 43.332nm의 넓은 파장 폭을 얻을 수 있었다.