eng
Выпуск #3/2023
П. А. Итрин, Д. И. Семенцов, А. Б. Петров, М. С. Козляков, В. А. Рибенек
Высокочастотная гармоническая синхронизация мод в волоконном кольцевом лазере со сдвигом частоты при помощи акустооптического модулятора
Высокочастотная гармоническая синхронизация мод в волоконном кольцевом лазере со сдвигом частоты при помощи акустооптического модулятора
Просмотры: 1030
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.3.184.194
Продемонстрирована возможность создания солитонного кольцевого лазера с гибридной гармонической синхронизацией мод, обеспечивающего генерацию мульти-ГГц импульсной последовательности в сочетании с высоким уровнем подавления межмодового шума и малым временным джиттером. Синхронизация мод осуществлена на основе эффекта внутрирезонаторного сдвига частоты. В основе разработки лежит предположение о том, что в определенных условиях акустооптический сдвиг частоты, дополненный спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности.
Продемонстрирована возможность создания солитонного кольцевого лазера с гибридной гармонической синхронизацией мод, обеспечивающего генерацию мульти-ГГц импульсной последовательности в сочетании с высоким уровнем подавления межмодового шума и малым временным джиттером. Синхронизация мод осуществлена на основе эффекта внутрирезонаторного сдвига частоты. В основе разработки лежит предположение о том, что в определенных условиях акустооптический сдвиг частоты, дополненный спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности.
Теги: acousto-optic modulator fiber ring laser mode locking time jitter ultrashort pulse generation акустооптический модулятор волоконный кольцевой лазер временной джиттер генерация ультракоротких импульсов синхронизация мод
Высокочастотная гармоническая синхронизация мод в волоконном кольцевом лазере со сдвигом частоты при помощи акустооптического модулятора
П. А. Итрин1, Д. И. Семенцов1, А. Б. Петров2, М. С. Козляков2, В. А. Рибенек1
Ульяновский государственный университет, Ульяновск, Россия
ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург, Россия
Продемонстрирована возможность создания солитонного кольцевого лазера с гибридной гармонической синхронизацией мод, обеспечивающего генерацию мульти-ГГц импульсной последовательности в сочетании с высоким уровнем подавления межмодового шума и малым временным джиттером. Синхронизация мод осуществлена на основе эффекта внутрирезонаторного сдвига частоты. В основе разработки лежит предположение о том, что в определенных условиях акустооптический сдвиг частоты, дополненный спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности.
Ключевые слова: волоконный кольцевой лазер, синхронизация мод, акустооптический модулятор, генерация ультракоротких импульсов, временной джиттер
Статья получена:20.04.2023
Статья принята:05.05.2023
Введение
Известно, что лазерные источники высокочастотных импульсных последовательностей необходимы в широком ряду приложений современной фотоники, в частности в задачах оптической связи, спектроскопии, метрологии и т.д [1, 2]. Одним из наиболее востребованных в последние десятилетия вариантов исполнения подобных источников являются солитонные волоконные лазеры с гармонической синхронизацией мод (ГСМ), в резонаторе которых множество импульсов располагается периодически [3]. Этот подход к реализации высокочастотных импульсных генераторов соединяет возможность достижения мульти-ГГц частоты следования импульсов с принципиальными преимуществами волоконных лазеров: компактностью, совместимой с высоким (до 30 дБ и выше) коэффициентом усиления, высоким качеством выходного пучка, гибким волоконным выводом, надежностью и простотой в эксплуатации [4].
Существует несколько вариантов классификации волоконных лазеров с ГСМ. Наиболее очевидный в качестве основного признака использует способ достижения синхронизации мод – при помощи нелинейного вращения поляризации (НВП) [5, 6] либо специальных насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок, графена и т. п. [7, 8]. По способу имплементации ГСМ-источники могут быть разделены на две большие группы.
В первой из них ГСМ происходит за счет встраивания в резонатор дополнительного высокодобротного фильтра со свободным спектральным параметром, кратным свободному спектральному параметру основного резонатора [9], причем селективность этого фильтра должна быть достаточной для выделения отдельных мод резонатора [10, 11]. Лазеры второй группы привлекательны тем, что необходимое периодическое расположение импульсов достигается в них автоматически за счет взаимного отталкивания [12]. Механизм взаимодействия импульсов в каждом конкретном случае не всегда очевиден, в таком качестве могут выступать взаимодействие через насыщающиеся и релаксирующие диссипативные параметры [13, 14], взаимодействие посредством дисперсионных волн или непрерывной компоненты [15], через акустические волны, посредством электрострикции [16] и т. д. Общим свойством всех указанных взаимодействий является их весьма небольшая интенсивность, во многих случаях лишь немного превышающая уровень шумовых воздействий (связанных, например, с шумами в активной среде, тепловыми эффектами, вибрациями и т. п.) на импульсы. Эти шумовые воздействия вызывают флуктуации положения импульса – временной джиттер, причем его величина существенно выше, чем у лазеров, оперирующих на фундаментальной частоте [17]. Снижение временного джиттера и повышение стабильности импульсных последовательностей, генерируемых ГСМ-лазерами, значительно повысит их привлекательность в приложениях, в частности в особо важных в настоящий момент задачах генерации гребенчатого спектра.
Значительный интерес в последнее время вызывают волоконные лазеры с гибридной гармонической синхронизацией мод, в которых эффект насыщающего поглощения сопровождается сдвигом частоты, осуществляемым при помощи оптического модулятора [18–20], причем частота модулятора значительно ниже частоты следования импульсов, т. е. происходит не активная, а именно пассивная синхронизация мод со сдвигом частоты солитонного импульса. Ряд результатов показывает, что такой подход оказывает не только локальное действие, приводя к формированию отдельного импульса, но и воздействует на всю последовательность импульсов, изменяя интенсивность межимпульсного взаимодействия [21–25]. Эти результаты послужили мотивацией для настоящей работы – разработки солитонного кольцевого лазера с гибридной гармонической синхронизацией мод, использующей эффект внутрирезонаторного сдвига частоты. Опираясь на предположение о том, что в определенных случаях акустооптический сдвиг частоты, дополненный спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности, была поставлена задача разработки и демонстрации волоконного лазера с гармонической синхронизацией мод, обеспечивающего генерацию мульти-ГГц импульсной последовательности в сочетании с высоким уровнем подавления межмодового шума и малым временным джиттером.
Экспериментальная установка
Рассматриваемая схема волоконного лазера представлена на рис. 1. Кольцевой резонатор включает в себя Er-легированное волокно (EDF – EY‑305) с дисперсией D = +9 пс/(нм км) длиной 5,75 м, накачиваемого двумя лазерными диодами с максимальной мощностью 550 мВт с длиной волны 1 480 нм, через два WDM 1480/1550. Общая длина резонатора составляла L = 64,92 м, что соответствует фундаментальной частоте повторения 3,19 МГц.
Все волоконные элементы выполнены из стандартного волокна SMF‑28 (D = +17 пс/(нм км) для 1 550 нм). Однонаправленный режим распространения обеспечивался оптическим изолятором, для вывода излучения использован 90/10 ответвитель. В резонатор включен акустооптический модулятор (MT80-IIR30-Fio-SM0), работающий в режиме сдвига частоты Δν = 80 МГц. Данный элемент резонатора чувствителен к поляризации излучения – поляризационный коэффициент экстинкции составляет ~ –20 дБ. Также в стандартную схему резонатора кольцевого волоконного лазера включен дополнительный элемент управления – перестраиваемый фильтр OZ Optics (BTF‑11-11-1525/1570), позволяющий осуществлять фильтрацию сигнала с перестройкой ширины полосы пропускания и центральной частоты в полосе 1 525–1 570 нм. В ходе экспериментов ширина фильтра была установлена на значении, близком к минимальному (чуть более 1 нм). Особенностью фильтра является отсутствие чувствительности к поляризации.
Для измерений спектра использовался оптический анализатор спектра Ando AQ6317B, разрешением 0,02 нм. Для индикации ВЧ сигнала использовались анализатор ВЧ-спектра Tektronix RSA607A с фотодетектором на 15 ГГц UPD‑15-IR2-FC (для частот следования импульсов до 7,5 ГГц) и 20 ГГц осциллограф Keysight UXR0204A с фотодетектором Keysight на 33 ГГц (для частот следования свыше 7,5 ГГц).
Результаты эксперимента
Результаты эксперимента фиксировались в полосе перестройки фильтра от 1 528 до 1 548 нм. Во всей полосе перестройки синхронизация мод на фундаментальной частоте резонатора (3,19 МГц), соответствующая одноимпульсному режиму генерации, происходила при достижении мощности накачки ~200 мВт. При увеличении мощности накачки лазер переходит в многоимпульсный режим генерации с однородным распределением отдельных импульсов по резонатору, т. е. в режим гармонической синхронизации мод.
Рассматриваемый диапазон перестройки может быть разделен на две полосы: коротко- и длинноволновую (рис. 2). В первой (1 528–1 535 нм) синхронизация мод характеризуется высокой устойчивостью. Синхронизация мод, полученная в этой полосе при помощи подстройки контроллера поляризации на малой частоте следования, сохраняется при повышении уровня накачки. В этом случае частота следования, импульсов, так же, как и выходная мощность, возрастает пропорционально накачке (рис. 3), при этом важно заметить, что дополнительная подстройка поляризации не производится.
Изменения оптических спектров при увеличении накачки и соответствующем росте частоты следования для двух различных значений центральной длины волны перестраиваемого фильтра λ0 показаны на рис. 4.
Устойчивость генерируемых импульсных последовательностей может быть охарактеризована при помощи радиочастотных спектров. На рис. 5 показаны радиочастотные (РЧ) спектры, полученные для последовательности с частотой следования 4,5 ГГц при центральной длине волны пропускания фильтра λ0 = 1 532,7 нм.
Последовательность имеет достаточно высокий уровень подавления межмодового шума (>35 дБ). На РЧ-спектре высокого разрешения в диапазоне десятков килогерц также можно отметить высокий уровень (>60 дБ) отношения сигнал/шум. Изменение уровня подавления супермодового шума и отношения сигнал/шум при росте накачки и соответственном повышении частоты следования показано на рис. 6. Как можно видеть, во всем диапазоне перестройки шумовые характеристики импульсной последовательности остаются приблизительно на одном уровне, при этом еще раз отмечаем, что при перестройке варьировалась только величина накачки, а дополнительная подстройка поляризации не производилась.
Последовательности, генерируемые в длинноволновой (1 535–1 548 нм) области перестройки фильтра, в общем случае характеризуются меньшей устойчивостью. При некоторых значениях центральной длины волны пропускания удается достичь импульсной генерации с высокой (>1 ГГц) частотой следования (правая часть рис. 4), однако эти режимы не являются устойчивыми по отношению к изменению уровня накачки. В отличие от предыдущего случая на изменение накачки лазер реагирует не подстройкой частоты следования импульсов, а срывом синхронизации мод. Для восстановления генерации импульсной последовательности для каждого уровня накачки необходимо осуществлять дополнительную подстройку поляризации. Тем не менее именно в этом диапазоне перестройки удалось достичь высоких частот следования, превышающих 10 ГГц (рис. 7).
На центральной длине волны пропускания фильтра λ0 = 1 546,5 нм получена импульсная последовательность с частотой следования 12 ГГц с высоким уровнем подавления межмодового шума >40 дБ. На длине волны пропускания фильтра λ0 = 1 545,5 нм была достигнута частота следования 13 ГГц, однако вид РЧ-спектра этой импульсной последовательности и значительно меньший уровень подавления межмодового шума свидетельствуют о ее слабой устойчивости (рис. 7, верхний ряд). Для сравнения на рис. 7 показаны также осциллограмма и РЧ-спектр импульсной последовательности с частотой следования 9 ГГц, полученной в коротковолновой области пропускания фильтра (λ0 = 1 529 нм) (рис. 7, нижний ряд).
Обсуждение результатов и выводы
Важнейшей особенностью рассматриваемого лазера является устойчивая реализация гармонической синхронизации мод в многоимпульсном режиме генерации. Данный факт означает наличие стабильной межимпульсной силы отталкивания, обеспечивающей равномерное распределение импульсов по кольцевому резонатору. Исходя из того, что резонатор обладает существенной аномальной дисперсией, т. е. генерирует импульсы солитонного типа без существенной частотной модуляции, по ширине спектра можно оценить длительность отдельного импульса. Длительность на половине высоты составляет около τFWHM ≈ 12,5 пс, что соответствует длительности sech-импульса τ ≈ 7 пс. Таким образом, среднее межимпульсное расстояние для последовательности с частотой следования ~1–10 ГГц многократно превышает длительность импульса. Это исключает прямое межимпульсное взаимодействие из возможных причин отталкивания.
Смещение частоты с последующей фильтрацией должно подавлять возможную генерацию узкополосной непрерывной компоненты излучения в резонаторе. Вид оптического спектра подтверждает это предположение. Таким образом, из причин отталкивания импульсов может быть исключено и взаимодействие через непрерывную компоненту и дисперсионные волны. В результате наиболее вероятным кандидатом на роль переносчика межимпульсного взаимодействия остается насыщающееся и релаксирующее усиление [8, 9].
По характеру синхронизации мод лазер может быть отнесен к гибридному типу. Необходимым для синхронизации мод механизмом насыщающегося поглощения может быть как НВП, так и смещение частоты излучения с последующей фильтрацией, которое лежит в основе синхронизации мод так называемых лазеров с частотно-смещенной обратной связью [20, 26]. Анализируя изменение выходной мощности и частоты следования импульсов в коротковолновой области перестройки фильтра (рис. 3), можно прийти к выводу, что рост накачки приводит к генерации дополнительных импульсов, при этом энергия каждого отдельного импульса Ep = Wout / νrep остается постоянной. В этом случае в достаточно широком диапазоне частот следования ширина спектра импульса изменяется незначительно (рис. 4), что говорит о том, что при изменении накачки основные характеристики импульса (длительность, пиковая мощность) также остаются практически постоянными. Таким образом, можно утверждать, что в данном случае происходит стандартный процесс многосолитонной генерации, где в качестве механизма синхронизации мод выступает НВП [27]. Насыщающееся и релаксирующее усиление при этом обеспечивает взаимное отталкивание импульсов и реализацию гармонической синхронизации мод [28]. Учитывая низкий уровень шума и высокую стабильность последовательности, можно предположить, что сдвиг и фильтрация частоты служат в этом случае дополнительным механизмом стабилизации, обеспечивающим высокий уровень подавления межмодового шума [21]. Необходимым условием подобной стабилизации является малость смещения частоты Δν по отношению к несущей частоте ν0.
Проводя анализ синхронизации мод при смещении фильтра в длинноволновую сторону (1 535–1 548 нм – спектры 5–9 на рис. 2), мы, в общем случае, отмечаем меньшую устойчивость импульсных последовательностей. Как мы полагаем, это может быть связано с ростом величины отношения Δν/ν0. При достижении им некоторого порогового значения диссипативный баланс в системе существенно усложняется. Сдвиг и фильтрация частоты из малого возмущения в схеме НВП, обеспечивающего выравнивание энергий и унификацию импульсов [26], становится самостоятельным независимым механизмом синхронизации мод [19]. При различных значениях параметров системы (вариации накачки, ориентации контроллеров поляризации, центральной длине волны фильтра и т. д.) доминирует тот или иной механизм синхронизации мод, обеспечивая генерацию импульсных последовательностей с различными характеристиками (длительностью и энергией отдельного импульса, частотой следования и т. д.). Указанные условия приводят к возможности резких перестроек свойств генерации при переходе из области доминирования одного механизма синхронизации мод к области, где главную роль играет другой механизм, а также к возможным срывам синхронизации мод при некоторых промежуточных значениях параметров. Тем не менее, сохранение режима гармонической синхронизации мод, поддерживаемого насыщающимся и релаксирующим усилением, и стабилизируемого сдвигом частоты, позволяет именно в этой области при определенном уровне накачки и некоторых настройках поляризации достичь частоты следования ~12 ГГц при уровне подавления межмодового шума >40 дБ.
В заключение, отметим, что предположение о том, что акустооптический сдвиг частоты, осуществляемый в резонаторе кольцевого волоконного лазера совместно со спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности, экспериментально подтверждено. В частности, результаты эксперимента показывают, что предложенная схема перспективна для генерации стабильных (с низким уровнем межмодового шума) высокочастотных последовательностей импульсов с широкими возможностями перестройки частоты следования и локальной подстройки длины волны. Применение перестраиваемого фильтра с небольшой (~1 нм) полосой пропускания позволяет осуществлять гармоническую синхронизацию мод с частотой следования 10 ГГц и более, при этом генерация непрерывной компоненты и дисперсионных волн оказывается полностью подавленной. К недостаткам метода можно отнести сравнительно большую длительность (~10 пс) и малую энергию (~1,5 пДж) генерируемых импульсов, однако предложенный источник легко может быть включен в каскадные усилительные схемы, на порядки повышающие энергию импульсов [22, 29].
Благодарность
Работа поддержана Российским научным фондом (грант 23-79-30017).
REFERENCES
Haus H. A., & Wong W. S. Solitons in optical communications. Reviews of modern physics. 1996;68(2): 423.
Schliesser A., Picqué N., Hänsch T. W. Mid-infrared frequency combs. Nature Photonics. 2012;6: 440–449.
Fermann M. E., & Hartl I. Ultrafast fibre lasers. Nature photonics. 2013;7(11): 868.
Chernysheva M., Rozhin A., Fedotov Y., Mou C., Arif R., Kobtsev S. M., & Turitsyn S. Carbon nanotubes for ultrafast fibre lasers. Nanophotonic. 2017;6(1): 1–30.
Lecaplain C. & Grelu P. Multi-gigahertz repetition-rate-selectable passive harmonic mode locking of a fiber laser. Optics express. 2013;21(9):10897–10902.
Trikshev A. I., Kamynin V. A., Tsvetkov V. B., & Itrin P. A. Passive harmonic mode-locking in an erbium-doped fibre laser. Quantum Electronics. 2018; 48(12):1109.
Huang Q., Huang Z., Al Araimi M., Rozhin A. & Mou C. 2.4 GHz L-band passively harmonic mode locked Er-doped fiber laser based on carbon nanotubes film. IEEE Photonics Technology Letters. 2019.
Sobon G., Sotor J., & Abramski K. M. Passive harmonic mode-locking in Er-doped fiber laser based on graphene saturable absorber with repetition rates scalable to 2.22 GHz. Applied Physics Letters. 2012; 100(16): 161109.
Fodil R. S., Amrani F., Yang C., Kellou A. & Grelu P. Adjustable high-repetition-rate pulse trains in a passively-mode-locked fiber laser. Physical Review A. 2016; 94(1): 013813.
Mao D., Liu X., Sun Z., Lu H., Han D., Wang G. & Wang F. Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser. Scientific reports. 2013;3:3223.
Korobko D. A., Fotiadi A. A. & Zolotovskii I. O. Mode-locking evolution in ring fiber lasers with tunable repetition rate. Optics express. 2017; 25(18): 21180–21190.
Grudinin A. B. & Gray S. Passive harmonic mode locking in soliton fiber lasers. JOSA B. 1997;14(1): 144–154.
Liu X. & Pang M. Revealing the Buildup Dynamics of Harmonic Mode-Locking States in Ultrafast Lasers. Laser & Photonics Reviews. 2019;13(9), 1800333.
Korobko D. A., Okhotnikov O. G., Zolotovskii I. O. Long-range soliton interactions through gain-absorption depletion and recovery. Optics letters. 2015; 40(12): 2862–2865.
Semaan G., Komarov A., Salhi M. & Sanchez F. Study of a harmonic mode lock stability under external continuous-wave injection. Optics Communications. 2017; 387:65–69.
Dianov E. M., Luchnikov A. V., Pilipetskii A. N., & Starodumov A. N. (1990). Electrostriction mechanism of soliton interaction in optical fibers. Optics letters. 1990; 15(6), 314–316.
Gray S., Grudinin A. B., Loh W. H. & Payne D. N. Femtosecond harmonically mode-locked fiber laser with time jitter below 1 ps. Optics letters. 1995; 20(2):189–191.
Noronen T., Okhotnikov O., & Gumenyuk R. Electronically tunable thulium-holmium mode-locked fiber laser for the 1700–1800 nm wavelength band. Optics express. 2016; 24(13): 14703–14708.
Sousa J. M. & Okhotnikov O. G. Short pulse generation and control in Er-doped frequency-shifted-feedback fibre lasers. Optics communications. 2000;183(1–4): 227–241.
Gumenyuk R., Korobko D. A., Zolotovsky I. O. & Okhotnikov O. G. Role of cavity dispersion on soliton grouping in a fiber lasers. Optics express.2014;22(2): 1896–1905.
Gumenyuk R. V., Korobko D. A. & Zolotovskii I. O. Stabilization of passive harmonic mode locking in a fiber ring laser. Optics Letters. 2020; 45(1):184–187.
Kotov L., Likhachev M., Bubnov M., Medvedkov O., Lipatov D., Guryanov A. & Février S. Millijoule pulse energy 100‑nanosecond Er-doped fiber laser. Optics Letters. 2015; 40(7): 1189–1192.
Korobko D. A., Stoliarov D., Itrin P., Odnoblyudov M. A., Petrov A. A. & Gumenyuk R. Harmonic mode-locking fiber ring laser with a pulse repetition rate up to 12 GHz. Optics and Laser Technology.2021;133: 106526.
Korobko D. A., Stoliarov D., Itrin P., Ribenek V. A., Odnoblyudov M. A., Petrov A. & Gumenyuk R. Stabilization of a Harmonic Mode-Locking by Shifting the Carrier Frequency. Journal of Lightwave Technology. 2021;39(9): 2980–2987.
Korobko D. A., Stoliarov D. A., Itrin P., Ribenek V. A., Fotiadi A. A. & Gumenyuk R. Stable harmonic mode locking in soliton fiber laser with frequency shift: theory and experiment. In Nonlinear Optics and Applications XII. 2021.
Wabnitz S., Kodama Y. & Aceves A. B. Control of optical soliton interactions. Optical Fiber Technology. 1995;1(3):187–217.
Tang D. Y., Zhao L. M., Zhao B., & Liu A. Q. Mechanism of multisoliton formation and soliton energy quantization in passively mode-locked fiber lasers. Physical Review A. 2005; 72(4): 043816.
Kutz J. N., Collings B. C., Bergman K., Knox H. Stabilized pulse spacing in soliton lasers due to gain depletion and recovery. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1998; 34 (9): 1749–1757.
Stolyarov D. A., Korobko D. A., Zolotovskii I. O., & Sysolyatin A. A. A Laser Complex with a Central Wavelength of 1.55 μm for Generation of Pulses with Energy Exceeding 1 μJ and a Supercontinuum Spanning a Nearly Two-Octave Range. Optics and Spectroscopy. 2019;126(6): 638–644.
АВТОРЫ
Итрин Павел Аркадьевич, младший научный сотрудник, e-mail: itrin@mail.ru, аспирант, Лаборатория нелинейной и микроволновой фотоники НИТИ им. С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (УлГУ), Ульяновск, Россия.
ORCID: 0000-0002-7198-0646
Семенцов Дмитрий Игоревич, д. ф.‑ м. н., профессор, Ульяновский государственный университет, Ульяновск, Россия.
ORCID: 0000-0001-6760-0156
Петров Андрей Борисович, к. т. н., инженер, e-mail: a.petrov@ nordlase.ru, ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-9219-1040
Козляков Михаил Сергеевич, инженер, e-mail: m.kozliakov@nordlase.ru, ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0003-2616-4532
Рибенек Валерия Александровна, младший научный сотрудник, аспирант, Лаборатория нелинейной и микроволновой фотоники НИТИ им. С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (УлГУ), Ульяновск, Россия.
ORCID: 0000-0002-9233-5339
Информация о конфликте интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в подготовке рукописи в своей части, обсуждении результатов, внесении предложений.
П. А. Итрин1, Д. И. Семенцов1, А. Б. Петров2, М. С. Козляков2, В. А. Рибенек1
Ульяновский государственный университет, Ульяновск, Россия
ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург, Россия
Продемонстрирована возможность создания солитонного кольцевого лазера с гибридной гармонической синхронизацией мод, обеспечивающего генерацию мульти-ГГц импульсной последовательности в сочетании с высоким уровнем подавления межмодового шума и малым временным джиттером. Синхронизация мод осуществлена на основе эффекта внутрирезонаторного сдвига частоты. В основе разработки лежит предположение о том, что в определенных условиях акустооптический сдвиг частоты, дополненный спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности.
Ключевые слова: волоконный кольцевой лазер, синхронизация мод, акустооптический модулятор, генерация ультракоротких импульсов, временной джиттер
Статья получена:20.04.2023
Статья принята:05.05.2023
Введение
Известно, что лазерные источники высокочастотных импульсных последовательностей необходимы в широком ряду приложений современной фотоники, в частности в задачах оптической связи, спектроскопии, метрологии и т.д [1, 2]. Одним из наиболее востребованных в последние десятилетия вариантов исполнения подобных источников являются солитонные волоконные лазеры с гармонической синхронизацией мод (ГСМ), в резонаторе которых множество импульсов располагается периодически [3]. Этот подход к реализации высокочастотных импульсных генераторов соединяет возможность достижения мульти-ГГц частоты следования импульсов с принципиальными преимуществами волоконных лазеров: компактностью, совместимой с высоким (до 30 дБ и выше) коэффициентом усиления, высоким качеством выходного пучка, гибким волоконным выводом, надежностью и простотой в эксплуатации [4].
Существует несколько вариантов классификации волоконных лазеров с ГСМ. Наиболее очевидный в качестве основного признака использует способ достижения синхронизации мод – при помощи нелинейного вращения поляризации (НВП) [5, 6] либо специальных насыщающихся поглотителей на основе углеродных нанотрубок, графена и т. п. [7, 8]. По способу имплементации ГСМ-источники могут быть разделены на две большие группы.
В первой из них ГСМ происходит за счет встраивания в резонатор дополнительного высокодобротного фильтра со свободным спектральным параметром, кратным свободному спектральному параметру основного резонатора [9], причем селективность этого фильтра должна быть достаточной для выделения отдельных мод резонатора [10, 11]. Лазеры второй группы привлекательны тем, что необходимое периодическое расположение импульсов достигается в них автоматически за счет взаимного отталкивания [12]. Механизм взаимодействия импульсов в каждом конкретном случае не всегда очевиден, в таком качестве могут выступать взаимодействие через насыщающиеся и релаксирующие диссипативные параметры [13, 14], взаимодействие посредством дисперсионных волн или непрерывной компоненты [15], через акустические волны, посредством электрострикции [16] и т. д. Общим свойством всех указанных взаимодействий является их весьма небольшая интенсивность, во многих случаях лишь немного превышающая уровень шумовых воздействий (связанных, например, с шумами в активной среде, тепловыми эффектами, вибрациями и т. п.) на импульсы. Эти шумовые воздействия вызывают флуктуации положения импульса – временной джиттер, причем его величина существенно выше, чем у лазеров, оперирующих на фундаментальной частоте [17]. Снижение временного джиттера и повышение стабильности импульсных последовательностей, генерируемых ГСМ-лазерами, значительно повысит их привлекательность в приложениях, в частности в особо важных в настоящий момент задачах генерации гребенчатого спектра.
Значительный интерес в последнее время вызывают волоконные лазеры с гибридной гармонической синхронизацией мод, в которых эффект насыщающего поглощения сопровождается сдвигом частоты, осуществляемым при помощи оптического модулятора [18–20], причем частота модулятора значительно ниже частоты следования импульсов, т. е. происходит не активная, а именно пассивная синхронизация мод со сдвигом частоты солитонного импульса. Ряд результатов показывает, что такой подход оказывает не только локальное действие, приводя к формированию отдельного импульса, но и воздействует на всю последовательность импульсов, изменяя интенсивность межимпульсного взаимодействия [21–25]. Эти результаты послужили мотивацией для настоящей работы – разработки солитонного кольцевого лазера с гибридной гармонической синхронизацией мод, использующей эффект внутрирезонаторного сдвига частоты. Опираясь на предположение о том, что в определенных случаях акустооптический сдвиг частоты, дополненный спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности, была поставлена задача разработки и демонстрации волоконного лазера с гармонической синхронизацией мод, обеспечивающего генерацию мульти-ГГц импульсной последовательности в сочетании с высоким уровнем подавления межмодового шума и малым временным джиттером.
Экспериментальная установка
Рассматриваемая схема волоконного лазера представлена на рис. 1. Кольцевой резонатор включает в себя Er-легированное волокно (EDF – EY‑305) с дисперсией D = +9 пс/(нм км) длиной 5,75 м, накачиваемого двумя лазерными диодами с максимальной мощностью 550 мВт с длиной волны 1 480 нм, через два WDM 1480/1550. Общая длина резонатора составляла L = 64,92 м, что соответствует фундаментальной частоте повторения 3,19 МГц.
Все волоконные элементы выполнены из стандартного волокна SMF‑28 (D = +17 пс/(нм км) для 1 550 нм). Однонаправленный режим распространения обеспечивался оптическим изолятором, для вывода излучения использован 90/10 ответвитель. В резонатор включен акустооптический модулятор (MT80-IIR30-Fio-SM0), работающий в режиме сдвига частоты Δν = 80 МГц. Данный элемент резонатора чувствителен к поляризации излучения – поляризационный коэффициент экстинкции составляет ~ –20 дБ. Также в стандартную схему резонатора кольцевого волоконного лазера включен дополнительный элемент управления – перестраиваемый фильтр OZ Optics (BTF‑11-11-1525/1570), позволяющий осуществлять фильтрацию сигнала с перестройкой ширины полосы пропускания и центральной частоты в полосе 1 525–1 570 нм. В ходе экспериментов ширина фильтра была установлена на значении, близком к минимальному (чуть более 1 нм). Особенностью фильтра является отсутствие чувствительности к поляризации.
Для измерений спектра использовался оптический анализатор спектра Ando AQ6317B, разрешением 0,02 нм. Для индикации ВЧ сигнала использовались анализатор ВЧ-спектра Tektronix RSA607A с фотодетектором на 15 ГГц UPD‑15-IR2-FC (для частот следования импульсов до 7,5 ГГц) и 20 ГГц осциллограф Keysight UXR0204A с фотодетектором Keysight на 33 ГГц (для частот следования свыше 7,5 ГГц).
Результаты эксперимента
Результаты эксперимента фиксировались в полосе перестройки фильтра от 1 528 до 1 548 нм. Во всей полосе перестройки синхронизация мод на фундаментальной частоте резонатора (3,19 МГц), соответствующая одноимпульсному режиму генерации, происходила при достижении мощности накачки ~200 мВт. При увеличении мощности накачки лазер переходит в многоимпульсный режим генерации с однородным распределением отдельных импульсов по резонатору, т. е. в режим гармонической синхронизации мод.
Рассматриваемый диапазон перестройки может быть разделен на две полосы: коротко- и длинноволновую (рис. 2). В первой (1 528–1 535 нм) синхронизация мод характеризуется высокой устойчивостью. Синхронизация мод, полученная в этой полосе при помощи подстройки контроллера поляризации на малой частоте следования, сохраняется при повышении уровня накачки. В этом случае частота следования, импульсов, так же, как и выходная мощность, возрастает пропорционально накачке (рис. 3), при этом важно заметить, что дополнительная подстройка поляризации не производится.
Изменения оптических спектров при увеличении накачки и соответствующем росте частоты следования для двух различных значений центральной длины волны перестраиваемого фильтра λ0 показаны на рис. 4.
Устойчивость генерируемых импульсных последовательностей может быть охарактеризована при помощи радиочастотных спектров. На рис. 5 показаны радиочастотные (РЧ) спектры, полученные для последовательности с частотой следования 4,5 ГГц при центральной длине волны пропускания фильтра λ0 = 1 532,7 нм.
Последовательность имеет достаточно высокий уровень подавления межмодового шума (>35 дБ). На РЧ-спектре высокого разрешения в диапазоне десятков килогерц также можно отметить высокий уровень (>60 дБ) отношения сигнал/шум. Изменение уровня подавления супермодового шума и отношения сигнал/шум при росте накачки и соответственном повышении частоты следования показано на рис. 6. Как можно видеть, во всем диапазоне перестройки шумовые характеристики импульсной последовательности остаются приблизительно на одном уровне, при этом еще раз отмечаем, что при перестройке варьировалась только величина накачки, а дополнительная подстройка поляризации не производилась.
Последовательности, генерируемые в длинноволновой (1 535–1 548 нм) области перестройки фильтра, в общем случае характеризуются меньшей устойчивостью. При некоторых значениях центральной длины волны пропускания удается достичь импульсной генерации с высокой (>1 ГГц) частотой следования (правая часть рис. 4), однако эти режимы не являются устойчивыми по отношению к изменению уровня накачки. В отличие от предыдущего случая на изменение накачки лазер реагирует не подстройкой частоты следования импульсов, а срывом синхронизации мод. Для восстановления генерации импульсной последовательности для каждого уровня накачки необходимо осуществлять дополнительную подстройку поляризации. Тем не менее именно в этом диапазоне перестройки удалось достичь высоких частот следования, превышающих 10 ГГц (рис. 7).
На центральной длине волны пропускания фильтра λ0 = 1 546,5 нм получена импульсная последовательность с частотой следования 12 ГГц с высоким уровнем подавления межмодового шума >40 дБ. На длине волны пропускания фильтра λ0 = 1 545,5 нм была достигнута частота следования 13 ГГц, однако вид РЧ-спектра этой импульсной последовательности и значительно меньший уровень подавления межмодового шума свидетельствуют о ее слабой устойчивости (рис. 7, верхний ряд). Для сравнения на рис. 7 показаны также осциллограмма и РЧ-спектр импульсной последовательности с частотой следования 9 ГГц, полученной в коротковолновой области пропускания фильтра (λ0 = 1 529 нм) (рис. 7, нижний ряд).
Обсуждение результатов и выводы
Важнейшей особенностью рассматриваемого лазера является устойчивая реализация гармонической синхронизации мод в многоимпульсном режиме генерации. Данный факт означает наличие стабильной межимпульсной силы отталкивания, обеспечивающей равномерное распределение импульсов по кольцевому резонатору. Исходя из того, что резонатор обладает существенной аномальной дисперсией, т. е. генерирует импульсы солитонного типа без существенной частотной модуляции, по ширине спектра можно оценить длительность отдельного импульса. Длительность на половине высоты составляет около τFWHM ≈ 12,5 пс, что соответствует длительности sech-импульса τ ≈ 7 пс. Таким образом, среднее межимпульсное расстояние для последовательности с частотой следования ~1–10 ГГц многократно превышает длительность импульса. Это исключает прямое межимпульсное взаимодействие из возможных причин отталкивания.
Смещение частоты с последующей фильтрацией должно подавлять возможную генерацию узкополосной непрерывной компоненты излучения в резонаторе. Вид оптического спектра подтверждает это предположение. Таким образом, из причин отталкивания импульсов может быть исключено и взаимодействие через непрерывную компоненту и дисперсионные волны. В результате наиболее вероятным кандидатом на роль переносчика межимпульсного взаимодействия остается насыщающееся и релаксирующее усиление [8, 9].
По характеру синхронизации мод лазер может быть отнесен к гибридному типу. Необходимым для синхронизации мод механизмом насыщающегося поглощения может быть как НВП, так и смещение частоты излучения с последующей фильтрацией, которое лежит в основе синхронизации мод так называемых лазеров с частотно-смещенной обратной связью [20, 26]. Анализируя изменение выходной мощности и частоты следования импульсов в коротковолновой области перестройки фильтра (рис. 3), можно прийти к выводу, что рост накачки приводит к генерации дополнительных импульсов, при этом энергия каждого отдельного импульса Ep = Wout / νrep остается постоянной. В этом случае в достаточно широком диапазоне частот следования ширина спектра импульса изменяется незначительно (рис. 4), что говорит о том, что при изменении накачки основные характеристики импульса (длительность, пиковая мощность) также остаются практически постоянными. Таким образом, можно утверждать, что в данном случае происходит стандартный процесс многосолитонной генерации, где в качестве механизма синхронизации мод выступает НВП [27]. Насыщающееся и релаксирующее усиление при этом обеспечивает взаимное отталкивание импульсов и реализацию гармонической синхронизации мод [28]. Учитывая низкий уровень шума и высокую стабильность последовательности, можно предположить, что сдвиг и фильтрация частоты служат в этом случае дополнительным механизмом стабилизации, обеспечивающим высокий уровень подавления межмодового шума [21]. Необходимым условием подобной стабилизации является малость смещения частоты Δν по отношению к несущей частоте ν0.
Проводя анализ синхронизации мод при смещении фильтра в длинноволновую сторону (1 535–1 548 нм – спектры 5–9 на рис. 2), мы, в общем случае, отмечаем меньшую устойчивость импульсных последовательностей. Как мы полагаем, это может быть связано с ростом величины отношения Δν/ν0. При достижении им некоторого порогового значения диссипативный баланс в системе существенно усложняется. Сдвиг и фильтрация частоты из малого возмущения в схеме НВП, обеспечивающего выравнивание энергий и унификацию импульсов [26], становится самостоятельным независимым механизмом синхронизации мод [19]. При различных значениях параметров системы (вариации накачки, ориентации контроллеров поляризации, центральной длине волны фильтра и т. д.) доминирует тот или иной механизм синхронизации мод, обеспечивая генерацию импульсных последовательностей с различными характеристиками (длительностью и энергией отдельного импульса, частотой следования и т. д.). Указанные условия приводят к возможности резких перестроек свойств генерации при переходе из области доминирования одного механизма синхронизации мод к области, где главную роль играет другой механизм, а также к возможным срывам синхронизации мод при некоторых промежуточных значениях параметров. Тем не менее, сохранение режима гармонической синхронизации мод, поддерживаемого насыщающимся и релаксирующим усилением, и стабилизируемого сдвигом частоты, позволяет именно в этой области при определенном уровне накачки и некоторых настройках поляризации достичь частоты следования ~12 ГГц при уровне подавления межмодового шума >40 дБ.
В заключение, отметим, что предположение о том, что акустооптический сдвиг частоты, осуществляемый в резонаторе кольцевого волоконного лазера совместно со спектральной фильтрацией, может приводить к стабилизации и повышению качества высокочастотной импульсной последовательности, экспериментально подтверждено. В частности, результаты эксперимента показывают, что предложенная схема перспективна для генерации стабильных (с низким уровнем межмодового шума) высокочастотных последовательностей импульсов с широкими возможностями перестройки частоты следования и локальной подстройки длины волны. Применение перестраиваемого фильтра с небольшой (~1 нм) полосой пропускания позволяет осуществлять гармоническую синхронизацию мод с частотой следования 10 ГГц и более, при этом генерация непрерывной компоненты и дисперсионных волн оказывается полностью подавленной. К недостаткам метода можно отнести сравнительно большую длительность (~10 пс) и малую энергию (~1,5 пДж) генерируемых импульсов, однако предложенный источник легко может быть включен в каскадные усилительные схемы, на порядки повышающие энергию импульсов [22, 29].
Благодарность
Работа поддержана Российским научным фондом (грант 23-79-30017).
REFERENCES
Haus H. A., & Wong W. S. Solitons in optical communications. Reviews of modern physics. 1996;68(2): 423.
Schliesser A., Picqué N., Hänsch T. W. Mid-infrared frequency combs. Nature Photonics. 2012;6: 440–449.
Fermann M. E., & Hartl I. Ultrafast fibre lasers. Nature photonics. 2013;7(11): 868.
Chernysheva M., Rozhin A., Fedotov Y., Mou C., Arif R., Kobtsev S. M., & Turitsyn S. Carbon nanotubes for ultrafast fibre lasers. Nanophotonic. 2017;6(1): 1–30.
Lecaplain C. & Grelu P. Multi-gigahertz repetition-rate-selectable passive harmonic mode locking of a fiber laser. Optics express. 2013;21(9):10897–10902.
Trikshev A. I., Kamynin V. A., Tsvetkov V. B., & Itrin P. A. Passive harmonic mode-locking in an erbium-doped fibre laser. Quantum Electronics. 2018; 48(12):1109.
Huang Q., Huang Z., Al Araimi M., Rozhin A. & Mou C. 2.4 GHz L-band passively harmonic mode locked Er-doped fiber laser based on carbon nanotubes film. IEEE Photonics Technology Letters. 2019.
Sobon G., Sotor J., & Abramski K. M. Passive harmonic mode-locking in Er-doped fiber laser based on graphene saturable absorber with repetition rates scalable to 2.22 GHz. Applied Physics Letters. 2012; 100(16): 161109.
Fodil R. S., Amrani F., Yang C., Kellou A. & Grelu P. Adjustable high-repetition-rate pulse trains in a passively-mode-locked fiber laser. Physical Review A. 2016; 94(1): 013813.
Mao D., Liu X., Sun Z., Lu H., Han D., Wang G. & Wang F. Flexible high-repetition-rate ultrafast fiber laser. Scientific reports. 2013;3:3223.
Korobko D. A., Fotiadi A. A. & Zolotovskii I. O. Mode-locking evolution in ring fiber lasers with tunable repetition rate. Optics express. 2017; 25(18): 21180–21190.
Grudinin A. B. & Gray S. Passive harmonic mode locking in soliton fiber lasers. JOSA B. 1997;14(1): 144–154.
Liu X. & Pang M. Revealing the Buildup Dynamics of Harmonic Mode-Locking States in Ultrafast Lasers. Laser & Photonics Reviews. 2019;13(9), 1800333.
Korobko D. A., Okhotnikov O. G., Zolotovskii I. O. Long-range soliton interactions through gain-absorption depletion and recovery. Optics letters. 2015; 40(12): 2862–2865.
Semaan G., Komarov A., Salhi M. & Sanchez F. Study of a harmonic mode lock stability under external continuous-wave injection. Optics Communications. 2017; 387:65–69.
Dianov E. M., Luchnikov A. V., Pilipetskii A. N., & Starodumov A. N. (1990). Electrostriction mechanism of soliton interaction in optical fibers. Optics letters. 1990; 15(6), 314–316.
Gray S., Grudinin A. B., Loh W. H. & Payne D. N. Femtosecond harmonically mode-locked fiber laser with time jitter below 1 ps. Optics letters. 1995; 20(2):189–191.
Noronen T., Okhotnikov O., & Gumenyuk R. Electronically tunable thulium-holmium mode-locked fiber laser for the 1700–1800 nm wavelength band. Optics express. 2016; 24(13): 14703–14708.
Sousa J. M. & Okhotnikov O. G. Short pulse generation and control in Er-doped frequency-shifted-feedback fibre lasers. Optics communications. 2000;183(1–4): 227–241.
Gumenyuk R., Korobko D. A., Zolotovsky I. O. & Okhotnikov O. G. Role of cavity dispersion on soliton grouping in a fiber lasers. Optics express.2014;22(2): 1896–1905.
Gumenyuk R. V., Korobko D. A. & Zolotovskii I. O. Stabilization of passive harmonic mode locking in a fiber ring laser. Optics Letters. 2020; 45(1):184–187.
Kotov L., Likhachev M., Bubnov M., Medvedkov O., Lipatov D., Guryanov A. & Février S. Millijoule pulse energy 100‑nanosecond Er-doped fiber laser. Optics Letters. 2015; 40(7): 1189–1192.
Korobko D. A., Stoliarov D., Itrin P., Odnoblyudov M. A., Petrov A. A. & Gumenyuk R. Harmonic mode-locking fiber ring laser with a pulse repetition rate up to 12 GHz. Optics and Laser Technology.2021;133: 106526.
Korobko D. A., Stoliarov D., Itrin P., Ribenek V. A., Odnoblyudov M. A., Petrov A. & Gumenyuk R. Stabilization of a Harmonic Mode-Locking by Shifting the Carrier Frequency. Journal of Lightwave Technology. 2021;39(9): 2980–2987.
Korobko D. A., Stoliarov D. A., Itrin P., Ribenek V. A., Fotiadi A. A. & Gumenyuk R. Stable harmonic mode locking in soliton fiber laser with frequency shift: theory and experiment. In Nonlinear Optics and Applications XII. 2021.
Wabnitz S., Kodama Y. & Aceves A. B. Control of optical soliton interactions. Optical Fiber Technology. 1995;1(3):187–217.
Tang D. Y., Zhao L. M., Zhao B., & Liu A. Q. Mechanism of multisoliton formation and soliton energy quantization in passively mode-locked fiber lasers. Physical Review A. 2005; 72(4): 043816.
Kutz J. N., Collings B. C., Bergman K., Knox H. Stabilized pulse spacing in soliton lasers due to gain depletion and recovery. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1998; 34 (9): 1749–1757.
Stolyarov D. A., Korobko D. A., Zolotovskii I. O., & Sysolyatin A. A. A Laser Complex with a Central Wavelength of 1.55 μm for Generation of Pulses with Energy Exceeding 1 μJ and a Supercontinuum Spanning a Nearly Two-Octave Range. Optics and Spectroscopy. 2019;126(6): 638–644.
АВТОРЫ
Итрин Павел Аркадьевич, младший научный сотрудник, e-mail: itrin@mail.ru, аспирант, Лаборатория нелинейной и микроволновой фотоники НИТИ им. С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (УлГУ), Ульяновск, Россия.
ORCID: 0000-0002-7198-0646
Семенцов Дмитрий Игоревич, д. ф.‑ м. н., профессор, Ульяновский государственный университет, Ульяновск, Россия.
ORCID: 0000-0001-6760-0156
Петров Андрей Борисович, к. т. н., инженер, e-mail: a.petrov@ nordlase.ru, ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0001-9219-1040
Козляков Михаил Сергеевич, инженер, e-mail: m.kozliakov@nordlase.ru, ООО «Нордлэйз», г. Санкт-Петербург, Россия.
ORCID: 0000-0003-2616-4532
Рибенек Валерия Александровна, младший научный сотрудник, аспирант, Лаборатория нелинейной и микроволновой фотоники НИТИ им. С. П. Капицы, Ульяновский государственный университет (УлГУ), Ульяновск, Россия.
ORCID: 0000-0002-9233-5339
Информация о конфликте интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы приняли участие в подготовке рукописи в своей части, обсуждении результатов, внесении предложений.
Отзывы читателей
