CC BY
24ГЕНЕРАЦИЯ СВЯЗАННЫХ СОЛИТОНОВ В ВОЛОКОННОМ ЛАЗЕРЕ С СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД НА ОСНОВЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ В ВЫСОКОНЕЛИНЕЙНОМ РЕЗОНАТОРЕ
1* 1 2 11 Дворецкий Д.А. , Орехов И.О. , Куделин И.С. Сазонкин С.Г. , Пнев А.Б. ,
Карасик В.Е.1, Денисов Л.К.1
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва 2 Астонский университет, г. Бирмингем, Великобритания * E-mail: ddvoretskiy@gmail. com
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16130
Волоконные лазеры ультракоротких импульсов (УКИ) могут рассматриваться в качестве платформы для развития перспективных применений, благодаря сложной нелинейной динамики генерации в резонаторе. Так, в последнее время получена генерация новых режимов: симиларитонных импульсов [1], шумоподобных импульсов, связанных солитонов (солитонных молекул) [2] и режим генерации солитонного дождя [3]. Режим генерации связанных солитонов может быть использован в различных областях фотоники, таких как, телекоммуникации и связь, в области метрологии частоты и времени, в обработке материалов и т.д. [4]. Например, исследование связанных импульсов привлекательно для увеличения пропускной способности линии связи в телекомуникациях за счет увеличения алфавита кодирования сигнала. Идея кодирования с помощью связанных солитонов предполагает уход от двоичной системы к произвольному числу символов 2N, где N - число солитонов в связанном состоянии [5]. Однако, необходима разработка способов управления параметрами связанных импульсов (кодирования сигнала) и разработка способов приема сигнала (декодирование сигнала). Кроме того, генерация когерентно связанных групп солитонов может значительно увеличить эффективность усиления ультракоротких импульсов, что открывает новые горизонты в холодной микрообработке новых материалов [6].
В данной работе получена стабильная генерация дечирпированных ультракоротких импульсов в связанном состоянии с контролируемым числом связанных состояний N в диапазоне 7 < N <17 при изменении мощности накачки.
Р , мВт нак
11,15 11,20 11,25 11,30 Частота, МГц
11,35
а)
б)
Рис. 2: (а) Зависимость выходной средней оптической мощности от входной. На вставке: последовательность импульсов; (б) Радиочастотный спектр генерации вблизи частоты повторения импульсов. На вставке:радиочастотный спектр в диапазоне частот от 0 до 200МГц
Экспериментальная установка волоконного лазера с синхронизацией мод на основе нелинейной эволюции поляризации и высоконелинейным резонатором подробно описана в работе [7]. В этой работе демонстрируется формирование когерентно-связанных импульсов, которые возникают в резонаторе лазера при мощности накачки около 300 мВт. На рисунке 1(а) приведена зависимость выходной средней оптической мощности от входной при максимальной выходной средней мощности ~ 30 мВт, а на вставке приведена типичная выходная последовательность УКИ. Порог генерации режима связанных импульсов наблюдался при определенной настройке контролеров поляризации в
258
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
схеме резонатора и при выходной мощности генерации, превышающей 20 мВт. При этом распад режима генерации наблюдается при значительно меньшей выходной мощности - около 10 мВт. Стоит отметить, что подобный гистерезис между порогом генерации и ее распадом ранее был предсказан теоретически и типичен для подобных режимов генерации [8]. На рисунке 1(б) приведен радиочастотный спектр генерации вблизи частоты повторения импульсов ~ 11,3 МГц с высоким отношением сигнал-шум ~73 дБ, что свидетельствует об устойчивости полученной генерации, а на вставке приведен радиочастотный спектр в диапазоне частот от 0 до 200 МГц.
1,0
1520 1540 1560
Длина волны,нм
1580
-20 0 20
Задержка,пс
а)
б)
Рис. 2: (а) Экспериментальная зависимость выходного спектра импульсов от мощности накачки;
(б) Экспериментальная зависимость автокорреляции выходных импульсов от мощности накачки
Полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами теоретического исследования эффекта квантования энергии солитона в волоконном лазере УКИ, описанного в работе [1]. Так, наибольшая энергия солитона в связанном состоянии с длительностью тр ограничена фундаментальной энергией солитона Es ~ | ß2 | / (у • тр), где у - это суммарный нелинейный коэффициент, ß2 - суммарная дисперсия второго порядка в резонаторе. Квантование энергии солитона ведет к разделению общей энергии импульса в резонаторе при мощности превышающий фундаментальный порог и формированию связанного состояния УКИ из фундаментальных солитонов. Таким образом, наиболее простой способ контролировать количество связанных УКИ -это изменение мощности накачки волоконного резонатора. На рисунке 2 (а) приведена полученная экспериментальная зависимость выходного спектра импульсов от мощности накачки в диапазоне 160377 мВт. Отметим, что положение интерференционных полос не меняется при увеличении мощности накачки, а значит полученный режим генерации остается неизменным в эксперименте. На рисунке 2(б) приведена экспериментальная зависимость автокорреляции выходных импульсов от мощности накачки (с помощью автокоррелятора FR-103WS; FEMTOCHROME RESEARCH INC., Berkeley, California, USA). Получена генерация связанных солитонов с контролируемым числом связанных состояний N в диапазоне 7 < N <17 при фиксированном времени между импульсами ~ 4,5 пс и длительностью одного УКИ по полувысоте < 0.5 пс.
Данная работа проведена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 18-32-20017 и № 18-38-00615.
Литература
I. O. Zolotovskii et al 2016 Quantum Electron. 461092
Mashiko Y, Fujita E, and Tokurakawa M, Opt. Express 24, 26515-26520 (2016).
Nhan Duc Nguyen, Le Nguyen Binh, Optics Communications, Volume 282, Issue 12, 2394-2406 (2009)
Alioune Niang, Foued Amrani,, et al, Applied Physics B, Volume 116, Issue 3, pp 771-775 (2014)
Chernysheva, M. et al. Sci. Rep. 7, 44314 (2017)
TongZhou, John Ruppe, et al. Opt. Express 23, 7442-7462 (2015)
Dmitriy A. Dvoretskiy, et al. J. Opt. Soc. Am. B 35, 2010-2014 (2018)
Andrey Komarov, Herve Leblond, and François Sanchez"PHYSICAL REVIEW A, 71, 053809, 2005
№6 2G19 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
259
