СТАБИЛИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В ЛАЗЕРАХ C ГАРМОНИ- ЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЗКОПОЛОСНОЙ КОМПОНЕНТЫ СПЕКТРА Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ

СТАБИЛИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ В ЛАЗЕРАХ C ГАРМОНИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЗКОПОЛОСНОЙ КОМПОНЕНТЫ СПЕКТРА

1* 1 12 Рибенек В.А. , Коробко Д.А. , Фотиади А.А. '

1 Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск 2 Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-257-258

В последнее десятилетие благодаря перспективам применения в генераторах оптических гребенок и телекоммуникационных системах интенсивно развиваются волоконные импульсные источники с частотой следования импульсов (ЧСИ) до десятков ГГц [1, 2]. Так как фундаментальная ЧСИ стандартного волоконного лазера не превышает десятков МГц, для получения ГГц импульсных последовательностей применяется методика гармонической синхронизации мод (ГСМ). Основным недостатком волоконных ГСМ-лазеров являются шумовые отклонения амплитуды импульса и межимпульсного расстояния от среднего значения - амплитудный и временной джиттер, значительно превосходящий джиттер лазеров на фундаментальной ЧСИ. Еще одной весьма важной проблемой технологии волоконных ГСМ-лазеров является точная настройка ЧСИ. В большинстве известных ГСМ лазеров перестройка ЧСИ происходит при изменении накачки скачкообразно. Величина скачков значительно превосходит минимальный шаг, равный фундаментальной частоте резонатора, и в мульти-ГГц диапазоне ЧСИ, имеет порядок сотен МГц. В недавних наших работах показано, что задачи подавления супермодового шума и точной настройки ЧСИ солитонного ГСМ-лазера могут быть решены универсальным методом, а именно при помощи инжекции в резонатор излучения внешнего узкополосного лазера [3, 4]. Принципиально важным в предложенном методе является расположение длины волны внешнего непрерывного (НП) излучения относительно солитонного спектра ГСМ-лазера. В данной работе мы планируем провести параллели между результатами, полученными нами ранее для ГСМ-лазеров с внешней НП инжекцией, и наблюдениями, сделанными нами в последнее время, для ГСМ-лазеров с собственной НП компонентой в спектре. Анализ этих наблюдений позволяет нам сформулировать ряд рекомендаций по контролю шумовых характеристик и подстройке ЧСИ ГСМ-лазеров с собственной НП компонентой в спектре.

В работе рассмотрена стандартная схема кольцевого волоконного лазера солитонного типа с ГСМ на основе нелинейного вращения поляризации. Экспериментальная схема приведена на рис. 1. Пороговый уровень накачки лазера составляет приблизительно 30 мВт. При достижении накачкой уровня 80 мВт и корректной настройке КП в лазере происходит синхронизация мод на фундаментальной частоте. В этом режиме в резонаторе циркулирует одиночный импульс. Дальнейшее повышение уровня накачки приводит к увеличению ЧСИ.

WDM

PD ISO

ОС 95/5

Рис. 1. Экспериментальная схема кольцевого волоконного лазера. EDF - волокно, легированное Er, WDM - мультиплексор с разделением по длине волны, LD - диод накачки, SMF - одномодовое волокно, РМfiber - волокно с сохранением поляризации, PD ISO - волоконный изолятор, подавляющий одну из компонент поляризации, OC - волоконный ответвитель, PC - контроллер поляризации

Характерной особенностью спектра такого типа лазера является присутствие узкополосной компоненты [5]. Нами было продемонстрировано, что при сближении узкополосной компоненты со спектральным пиком Келли в солитонных лазерах с гармонической синхронизацией мод уровень супермодового шума (УСШ) в радиочастотном спектре лазера может быть снижен на 27-32 дБ в диапазоне частот следования импульсов 275-1230 МГц. Физика процесса связана со взаимодействием

ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ

между импульсами и непрерывным фоном, формируемым непосредственно в резонаторе лазера [6]. В качестве примера продемонстрировано снижение УСШ на 27 dB для частоты 1230 МГц (рис.2). При этом происходит характерный сдвиг оптического спектра в сторону положения узкополосной компоненты. Прямые измерения показывают, что среднеквадратичная величина временного джиттера при этом снижается с 7.7 пс до 2.1 пс. Кроме того, нами был изучен вопрос о влиянии на величину наблюдаемого эффекта интенсивности НП-компоненты. Мы выяснили, что подстройка центральной пластины КП позволяет в определенных пределах (по крайней мере, когда НП-компонента заметна на фоне солитонного спектра) управлять ее интенсивностью, сохраняя центральную длину волны и частоту следования импульсов ГСМ-лазера неизменными. Эксперимент показывает, что подстройка интенсивности НП-компоненты в указанных пределах, фактически, не оказывает влияния на величину подавления УСШ.

& ш

I

(а)

4SSL*E7dB

15SO 1570

Wavelength (nm)

1560 1570

Wavelength (nm)

1100 1200 1220 1240 126D 1280 Repetition rate (1ЛН?)

Рис. 2. (a) РЧ спектры ГСМ-лазера при ЧСИ1230 МГц. Синяя линия - РЧ спектр при несовпадении НП компоненты и спектрального пика Келли, красная - при совпадении (b,c) Соответствующие им

оптические спектры

Также продемонстрирована возможность настройки частоты следования импульсов с максимальной точностью, равной фундаментальной частоте, во всем диапазоне изменения - до максимального значения 1760 МГц. Подобная подстройка оказывается возможной при совмещении узкополосной компоненты с определенной резонансной областью солитонного спектра. В отличие от предыдущего, эффект точной подстройки ЧСИ при помощи узкополосного фона подразумевает возможность некоторой регулировки диссипативных процессов насыщающегося поглощения и усиления в резонаторе ГСМ-лазера. Пример точной подстройки частоты продемонстрирован на рис. 3 для перестройки с от 720 МГц до 748 МГц и от 748 МГц до 734 МГц.

Wavelength ' Repetition rate (MHz} Repetition rate (MHz)

Рис. 3. Оптический спектр ГСМ-лазера в состоянии подстройки ЧСИ. Пунктиром обозначена линия узкополосной генерации при уровне накачки около 40 мВт. РЧ спектры ГСМ-лазера до (красные) и после (синие линии) подстройки ЧСИ при уровне накачки 340 мВт. (Ь) Подстройка ЧСИ на от 720 МГц до 748 МГц. (с) Подстройка ЧСИ на - от 748 МГц до 734 МГц. Разрешение РЧ спектра -100 кГц

Рассмотренные способы стабилизации и точной подстройки ЧСИ волоконного солитонного ГСМ-лазера при использовании собственной НП-компоненты сравниваются с аналогичными результатами, полученными при внешней инжекции узкополосного излучения в резонатор кольцевого волоконного ГСМ-лазера.

Работа поддержана Министерством Науки и Высшего образования РФ (проект № 075-15-2021581, FEUF-2023-0003) и Российским научным фондом (проект № 23-79-30017).

Литература

1. Kutz J. N., et al, IEEE Journal of Quantum Electronics, 34(9), 1749-1757 (1998)

2. Liu X., et al, Laser & Photonics Reviews, 13(9), 1800333 (2019)

3. Ribenek V. A., et al, Optics Letters, 46, 5747-5750 (2021)

4. Fotiadi, A. A., et al, Optics Letters, 46, 5687-5690 (2021)

5. Zhang Z. X., et al, Laser Physics Letters, 4(8), 592 (2007)

6. Ribenek, V.A., et al, Optics Letters, 47(19), 5236-5239 (2022)