CC BY
11ВКВО-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ КОНФИГУРАЦИИ С ГАРМОНИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИЕЙ МОД ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ В ЗАДАЧАХ РАДИОФОТОНИКИ
Рибенек В.А. 1, Коробко Д.А. 1, Итрин П.А. 1, Фотиади А.А.
1,2
1 Ульяновский государственный университет, ул. Льва Толстого, Ульяновск, 432970 2 Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Политехническая ул. 26, Санкт-Петербург, 194021 * E-mail: [email protected] DO110.24412/2308-6920-2023-6-82-83
Простые, но эффективные методы генерации высокочастотной последовательности импульсов представляют большой исследовательский интерес, обусловленный огромным спросом на недорогие компактные лазерные источники, востребованные для многих практических приложений. Хотя в большинстве приложений импульсных лазеров используются такие их качества как компактность, надежность и простота конструкции, для приложений, связанных с задачами радиофотоники [1], в частности, для целей синтеза радиочастотных сигналов, также важны низкий уровень фазового шума и возможность управления частотой следования импульсов. Генераторы строго периодических последовательностей импульсов являются ключевыми элементами систем преобразования оптического сигнала в радиочастотный. Хотя фотонные интегральные платформы имеют большой потенциал для разработки таких генераторов с прямым электрическим управлением, для задач, где важны оптическая ширина полосы генерации и масштабируемость мощности, волоконные лазеры с синхронизацией мод остаются серьезной альтернативой. В сравнении с активными методами синхронизации мод, которые требуют оптоэлектронной обратной связи и ограничены скоростью оптоэлектронной модуляции, волоконные лазеры с пассивной синхронизацией мод более компактны, просты и надежны. При типичной длине волоконного резонатора в несколько метров, наибольший интерес представляют лазеры, работающие на высоких гармониках от основной частоты резонатора, т.е., в режиме гармонической синхронизации мод (ГСМ). Основным недостатком ГСМ-лазеров является высокий уровень фазового шума - их амплитудный и временной джиттер, значительно превосходящий джиттер лазеров, работающих на фундаментальной частоте. Поэтому новые механизмы, обеспечивающие подавление супермодового шума, которое приводит к стабилизации импульсной последовательности, т.е., ее приближению к идеальному периодическому сигналу представляют огромный практический интерес в данной области. Другой важной проблемой для лазеров, работающих в режиме гармонической синхронизации мод, является точная настройка частоты следования импульсов. В большинстве известных конфигураций перестройка частоты следования происходит при изменении мощности накачки скачкообразно, с шагом, значительно превосходящим минимально-возможный шаг, равный фундаментальной частоте резонатора, т.е. точная настройки частоты следования импульсов оказывается достаточно нетривиальной задачей.
В настоящем докладе будет предложен обзор наших недавних результатов, полученных при изучении волоконных лазеров, работающих в режиме гармонической синхронизации мод. Будут продемонстрированы новые механизмы, ответственные за подавление фазового шума и обеспечивающие точную настройку частоты следования импульсов.
WDM t SMF (b)
. — A ISO (
LDs
Polarizer
EDF
WDM рм Fibers
PC
Unjacketed fiber
TSs
95/5 ОС
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Repetition rate (MHz)
Рис. 1. (a) Схема волоконного лазера. EDF - Er-волокно, PC - контроллер поляризации, PM ISO - оптический изолятор, OC - выходной ответвитель, LDs -диоды накачки. (b) Изменение ПСШ с частотой следования импульсов вне (черные точки) и при резонансе (красные точки) с акустической модой
ВКВО-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
В качестве примера, на рис. 1 представлена конфигурация волоконного солитонного лазера, работающего в режиме ГСМ. В этой конфигурации предусмотрена возможность подстройки длины резонатора путем растяжения оголенного участка волокна. Такая подстройка резонатора обеспечивает перестройку частоты следования импульсов до 14 ГГц и подавление супермодового шума (ПСШ) до 30 дБ за счет возбуждения попутного бриллюэновского рассеяния в волокне.
Другие методы подавления супермодового шума и точной настройки частоты следования импульсов в солитонном лазере основаны на эффекте резонансной инжекции в лазерный резонатор излучения от внешнего узкополосного лазера [2-7]. Подавление супермодового шума происходит при совпадении в спектре лазера инжектируемой линии и пика Келли, что приводит к фазовой синхронизации солитонов с непрерывным излучением [2]. Этот метод позволяет снизить временной джиттер волоконных ГСМ-лазеров до уровня, сравнимого с джиттером лазеров, работающих на фундаментальной частоте (рис.2).
Рис.2. Оптический (а) и РЧ (Ь) спектры ГСМ лазера с ЧСИ=1.084 ГГц до (красные) и после (синие линии) инжекции внешнего непрерывного лазера
Подобный эффект резонансной инжекции предложен также для точной настройки частоты следования импульсов [3]. При правильной настройке длины волны инжектируемого излучения постепенное изменение его мощности приводит к плавному переключению частоты следования импульсов (рис.3). При этом такое изменение частоты не оказывает влияния на рабочие характеристики лазера - энергию импульса, уровень супермодового шума и т.д. Этот процесс можно остановить в любой момент, отключив инжекцию, тогда ГСМ-лазер продолжает генерацию с частотой, соответствующей последнему переходу.
Рис.3. Точная пошаговая настройка от 97-й до 112-й (а) и от 112-й до 96-й (б) гармоник, обеспечиваемая постепенным увеличением мощности инжектируемого непрерывного излучения
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования (проекты № 075-15-2021-581, № FEUF-2023-0003) и Российского научного фонда (проект № 23-7930017).
Литература
1. 2.
3.
4.
5.
6. 7.
R. Zhou, et al. V.A. Ribenek, V.A. Ribenek, D.A. Korobko V.A. Ribenek, D.A. Korobko D.A. Korobko
, Advanced Photonics Research 3, 2100348 (2022) et al., Optics Letters 46, 5747-5750 (2021) et al., Optics Letters 46, 5687-5690 (2021) , et al., Opt. Express 30, 17243-17258 (2022) et al., Optics Letters 47, 5236-5239 (2022) , et al., Optical Fiber Technology 75, 103216 (2023) , et al., Optics & Laser Technology 162, 109284 (2023)
