CC BY
4ВКВО-2023- ЛАЗЕРЫ
ВОЛОКОННЫЕ И ГИБРИДНЫЕ ЛАЗЕРЫ С ДИНАМИЧЕСКИ - ТРАНСФОРМИРУЕМОЙ ТОПОЛОГИЕЙ РЕЗОНАТОРА
1 2* 11 1 Нюшков Б.Н. ' , Смирнов С.В. , Иваненко А.В. , Художиткова Д.А. ,
Беднякова А.Е. 1
1 Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск 2 Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск * E-mail: b.nyushkov@nsu.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-192-193
Топология резонатора - один из ключевых конфигурационных параметров, которые определяют возможности управления режимами импульсной генерации в волоконных и гибридных (волоконно-полупроводниковых) лазерах. В данной работе впервые предложена и исследована конфигурация волоконного резонатора с электрооптическим «механизмом» динамической трансформации его топологии. Такой резонатор позволяет реализовывать различные режимы импульсной генерации, включая режимы двунаправленной импульсной генерации с активной либо гибридной синхронизацией мод, при неизменной конструкции лазера, с помощью только электронного управления.
В основе предложенного динамически-трансформируемого волоконного лазерного резонатора лежит электрооптический переключатель (ЭОП) с конфигурацией 2х2, изготовленный из LiNbO3 по схеме волноводного интерферометра Маха-Цандера с входным и выходным разветвителями [2]. Данный переключатель связывает пассивную двунаправленную волоконную петлю и содержащую оптический усилитель (ОУ) активную однонаправленную волоконную петлю, как показано на Рис. 1. С помощью напряжения, подаваемого на ЭОП, можно управлять перекрестной оптической связью между двумя петлями резонатора. Используемый ЭОП характеризуется комплементарными передаточными функциями вида:
1щ V и0 Р w
= cos2 (пЩ, (2)
1щ V и0 ), w
где Out и In - мощности на выходных и входных портах, í, j = 1,2 (í ^ j) — индексы этих портов, Ucon - величина управляющего напряжения, U0 = 13 В — напряжение полного переключения ЭОП. Таким образом, изменяя управляющее напряжение от 0 до 13 Вольт, можно получить три различных топологии резонатора, как показано на Рис. 1.
Наиболее очевидным следствием переключения между двумя крайними топологическими состояниями резонатора (реализуемыми при Ucon = 0 В и Ucon = 13 В) является переключение направления циркуляции лазерного излучения в пассивной петле резонатора. Показано, что это позволяет получать в пассивной петле одновременно две встречно-направленные комплементарные регулярные
последовательности лазерных импульсов в режиме активной синхронизации мод. Такой режим достигается при быстром переключении ЭОП с частотой повторения fjep, равной или кратной обратной величине времени обхода резонатора TRT. На Рис. 2 показаны измеренные характеристики такой импульсной генерации, полученной в экспериментальной конфигурации лазера, использующей полупроводниковый оптический усилитель (ПОУ) в качестве активной среды. Длительность импульсов составила около 9 нс при частоте следования ~45.6 МГц (третья гармоника фундаментальной частоты повторения, frep = 3 / TRT). Максимальная частота повторения и минимальная длительность в такой конфигурации определяются в первую очередь временем переключения ЭОП, которое в лучших коммерчески-доступных ЭОП может быть порядка 0.1 нс. Отношение
Рис. 1. Электронно-управляемая топологическая трансформация резонатора и переключение направления циркуляции излучения
ВКВ0-2023- ЛАЗЕРЫ
сигнал/шум в измеренных радиочастотных спектрах последовательностей импульсов было 50 дБ, что сопоставимо с типичными параметрами активной синхронизации мод.
Рис. 2. (а) - осциллограммы двух встречно-направленных последовательностей лазерных импульсов (выделены синим и красным цветом) с частотой повторения ~45.6 МГц. (б) и (в) - радиочастотные (РЧ) спектры этих последовательностей импульсов измеренные в окрестностях частоты повторения с разрешением 1 кГц
Необходимо также отметить особенности возможного использования промежуточной (0 В < Ucon < 13 B) топологии резонатора. В этом случае резонатор подобен резонаторам широко известного типа «фигура-8». Пассивная петля резонатора в этом топологическом состоянии работает подобно интерферометру Саньяка. В середине своего диапазона переключения (Ucon = 6,5 В) ЭОП обеспечивает коэффициент деления 50:50 для обоих направлений распространения в пассивной петле и поэтому в результате интерференции прошедших через пассивную петлю волн происходит возвращение (эффективное отражение) излучения в тот же самый порт, через который оно вошло в ЭОП. Поэтому лазерная генерация в таком стационарном топологическом состоянии рассматриваемой конфигурации резонатора невозможна. Однако, пропускание петли Саньяка может стать достаточным для преодоления порога генерации при некоторой отстройке от центра диапазона переключения ЭОП. Об этом, в частности, свидетельствуют представленные на Рис. 3 мощностные характеристики непрерывной генерации в тестовой конфигурации лазера с ПОУ.
Возможность электронного управления
коэффициентом деления в волоконной петле Саньяка открывает широкие перспективы при ее использовании в существенно нелинейном режиме (при дифференциальном нелинейном фазовом набеге порядка п). В таком режиме петля работает как нелинейное оптическое петлевое зеркало (nonlinear optical loop mirror, NOLM [3]), а при внесении в эту петлю оптического усилителя как нелинейное усиливающее петлевое зеркало (nonlinear
amplifying loop mirror, NALM [4]). NOLM и NALM с фиксированными коэффициентами деления давно и широко применяются в волоконных лазерах в качестве искусственного насыщающегося поглотителя для получения импульсных режимов генерации. Однако предложенный в контексте исследуемой
трансформируемой резонаторной топологии вариант нелинейной петли с возможностью плавного регулирования и динамического управления коэффициентом деления позволяет существенно упростить настройку и оптимизацию режимов импульсной генерации, а также находить новые режимы в широком пространстве адиабатных вариаций параметров лазерной системы.
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 21-42-04401).
Управляющее напряжение, В
Рис. 3. Зависимость внутрирезонаторной мощности от управляющего напряжения на ЭОП: черная кривая - мощность на выходе ПОУ, синяя и красные кривые -мощности излучения, циркулирующего в пассивной петле по часовой стрелке и против, соответственно
Литература
1. Nyushkov B.N., Kobtsev S.M., Quantum Electron. 48, 1099-1104 (2018)
2. Singh G., Janyani V., Yadav R. P., Optica Applicata 42, 613-625 (2012)
3. Doran N.J., Wood D, Opt. Lett. 13, 56-58 (1988)
4. Fermann M.E., et al, Opt. Lett. 15, 752-754 (1990)
