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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 3623 (2023) Citar este artículo

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Demostramos un láser de fibra con bloqueo de modo sintonizable de longitud de onda de banda C completa con una tasa de repetición de 250 MHz, que representa la tasa de repetición más alta para láseres de bloqueo de modo sintonizable de banda C hasta el momento según nuestro conocimiento. La cavidad Fabry-Perot basada en fibra que mantiene la polarización permite una tasa de repetición fundamental de 250 MHz con un espejo absorbente saturable de semiconductores como bloqueador de modo. Observamos un estado de bloqueo de modo de solitón único y estable con una amplia capacidad de ajuste de la longitud de onda central de 1505 a 1561 nm ajustando el ángulo incidente de un filtro de paso de banda dentro de la cavidad. Se espera que el láser de bloqueo de modo de alta tasa de repetición ajustable en longitud de onda que cubre toda la banda C sea una fuente convincente para muchas aplicaciones basadas en peine de frecuencia, incluida la metrología óptica de alta precisión, la espectroscopia de absorción de banda ancha y la frecuencia óptica de banda ancha. sintetizadores

Los láseres de bloqueo de modo de alta tasa de repetición, dadas sus características únicas de pulso ultracorto, alta potencia máxima y amplio espectro, han desempeñado un papel clave en numerosas aplicaciones, incluida la generación de peine de frecuencia1, la transferencia y sincronización remotas de tiempo2, la espectroscopia de banda ancha3 , generación de microondas4, metrología de longitud5,6,7,8, metrología de superficie9 y observaciones de fenómenos ultrarrápidos10. En particular, los láseres de modo bloqueado basados ​​en fibra se han utilizado ampliamente como una herramienta práctica debido a su confiabilidad, tamaño compacto y bajo costo11.

Para crear un láser de bloqueo de modo de alta tasa de repetición, los métodos comunes son el bloqueo de modo armónico y el acortamiento de la longitud de la cavidad. En el primer método, garantizar el funcionamiento estable del bloqueo del modo armónico implica muchos desafíos técnicos relacionados con el ruido del supermodo, como una baja relación señal/ruido y la degradación de la fluctuación de la sincronización del pulso12. A diferencia del bloqueo de modo armónico, aumentar la tasa de repetición fundamental mientras se acorta la longitud de la cavidad puede generar pulsos ultracortos de manera estable con una mejor pureza espectral y fluctuación de tiempo13. Con respecto a los láseres de fibra, comúnmente se diseñan con una cavidad de Fabry-Perot porque algunos componentes se pueden colocar fuera de la cavidad14.

El bloqueo de modo se realiza comúnmente mediante la evolución de polarización no lineal (NPE)15 y un absorbedor saturable real (SA)16. La técnica NPE presenta ventajas en cuanto a las características de los pulsos, como la generación de pulsos ultracortos y de amplio espectro. Sin embargo, la operación llave en mano apenas funciona para los láseres de modo bloqueado basados ​​en NPE. A diferencia de la técnica NPE, los SA, que se basan en materiales de absorción saturables y se demuestran con semiconductores17, nanotubos de carbono18, grafeno19 y materiales 2D20, ofrecen las ventajas de un funcionamiento llave en mano y un autobloqueo. Los SA son adecuados para láseres bloqueados en modo de alta tasa de repetición porque solo requieren un área pequeña en la cavidad. Los láseres de bloqueo de modo basados ​​en SA suelen funcionar en el régimen de pulsos de solitones, donde la dispersión neta de la cavidad y la automodulación de fase están bien equilibradas21. Sin embargo, en comparación con los láseres de modo bloqueado basados ​​en NPE, los láseres de modo bloqueado basados ​​en SA tienen un ancho de pulso más amplio y un ancho de banda espectral más estrecho. Por lo general, los láseres de bloqueo de modo basados ​​en SA tienen duraciones de pulso de unos pocos cientos de femtosegundos y anchos de banda espectrales de unos pocos nanómetros en la banda C22. Para generar un espectro óptico de banda ancha y un pulso ultracorto, se explota como método común el ensanchamiento espectral basado en fibra no lineal con amplificación de potencia. En lugar del complicado y oneroso método de ampliación espectral no lineal, sintonizar la longitud de onda central de un láser de modo bloqueado es una alternativa factible para cubrir un amplio rango espectral a través de un enfoque simple.

La Figura 1 presenta una descripción general de los resultados del láser de fibra bloqueado en modo sintonizable de banda C en términos del rango de sintonización de la longitud de onda central y la frecuencia de repetición del pulso en una escala logarítmica18,23,24,25,26,27,28,29,30 ,31,32,33,34,35. Se han demostrado láseres de fibra con bloqueo de modo de longitud de onda sintonizable que funcionan en la banda C con varias formas de sintonizar la longitud de onda central, incluido un filtro masivo sintonizable18,23,26,35, un efecto de birrefringencia de cavidad intrínseca24,29,33,34, una rejilla extensible25, una rejilla de fibra inclinada a 45°27,31, un efecto de interferencia supermodo28 y una rejilla con una apertura de sintonización30,32. Hasta ahora, los láseres de bloqueo de modo sintonizable de banda C solo se han demostrado a tasas de repetición por debajo del rango de decenas de MHz, mientras que el rango sintonizable de la longitud de onda central ya cubre la banda C completa. Estos tipos de láseres de modo bloqueado con una tasa de repetición baja son adecuados para el mecanizado láser y la amplificación de alta potencia, pero sus tasas de repetición siguen siendo demasiado bajas para la mayoría de las aplicaciones de metrología óptica basadas en peine de frecuencia13,36.

Resumen de los láseres de bloqueo de modo sintonizable de banda C de última generación en términos de tasa de repetición y rango de sintonización en la banda C.

En nuestro estudio anterior, demostramos por primera vez un láser de fibra con bloqueo de modo ampliamente ajustable en longitud de onda que funciona a una tasa de repetición de más de 100 MHz35. El diseño óptico basado en la cavidad de Fabry-Perot permitió un láser de fibra de modo bloqueado de alta tasa de repetición con capacidad de sintonización de banda C completa. En este estudio, informamos un láser de modo bloqueado de fibra de mantenimiento de polarización sintonizable de banda C completo que funciona a una tasa de repetición fundamental de 250 MHz, que es la tasa de repetición más alta para un láser de fibra de modo bloqueado sintonizable de banda C hasta ahora a lo mejor de nuestro conocimiento. Una tasa de repetición tan alta facilita el bloqueo de fase o el control de la frecuencia óptica de un láser de onda continua. La estructura de fibra que mantiene la polarización permite una operación robusta y llave en mano sin ajustes de polarización dentro de la cavidad y ofrece una operación de bloqueo de modo robusta y estable13,22,37. Un espejo absorbente saturable de semiconductores (SESAM), comúnmente adoptado como un bloqueador de modo estable, confiable y bien verificado, se explotó como un espejo final para la cavidad del láser Fabry-Perot y como un dispositivo para realizar bloqueo de modo con giro -operación clave. Se utilizó un filtro de paso de banda óptico a granel para minimizar la longitud de la cavidad del láser. La banda de transmisión se puede ajustar fácilmente cambiando el ángulo de incidencia del filtro de paso de banda óptico38. Observamos un estado de bloqueo de modo estable con una longitud de onda central de 1505 a 1561 nm. Las duraciones de los pulsos normalmente oscilaban entre 640 fs y 2,8 ps y los anchos de banda espectrales (3 dB) normalmente oscilaban entre 0,9 nm y 5,1 nm. Los niveles de potencia de salida medidos excedieron los 5 mW, independientemente de la longitud de onda central, por lo que es suficiente para su uso en la mayoría de las aplicaciones de peine de frecuencia, incluida la metrología dimensional de alta precisión, la espectroscopia de absorción de banda ancha y los sintetizadores de frecuencia óptica de banda ancha. Más importante aún, se espera que se pueda mejorar la relación señal-ruido en la metrología óptica, ya que los modos de peine individuales del láser de bloqueo de modo propuesto pueden tener una potencia óptica significativamente mayor que los niveles de potencia ofrecidos por longitudes de onda anteriores. Láseres sintonizables de modo bloqueado.

La Figura 2a muestra el diseño óptico del láser de fibra dopado con erbio que mantiene la polarización bloqueada en modo sintonizable de longitud de onda de banda C propuesto. El diseño de la cavidad del láser se basa en una fibra tipo Fabry-Perot de cavidad lineal con fibra de mantenimiento de polarización (PM) para mantener la polarización dentro de la cavidad para una operación robusta. La cavidad del láser consta de fibra dopada con erbio que mantiene la polarización (PM EDF, PM-ESF-7/125, Nufern) como medio de ganancia, una parte de espacio libre con un filtro de paso de banda óptico masivo que tiene un ancho de banda de 3 db de 50 nm (7527: 1550–50 OD4, Alluxa), fibra de mantenimiento de polarización monomodo y el mencionado SESAM (SAM-1550–23-2 ps, BATOP), que es un componente crítico para el bloqueo de modo de inicio automático y para la determinación de las características del pulso39. La cavidad láser de 430 mm consta de 300 mm de PM EDF con dispersión anómala, 60 mm de fibra PM estándar y 70 mm de espacio libre con un filtro de paso de banda óptico masivo. La dispersión de la cavidad de ida y vuelta se estimó en -0,015 ps2, lo que permite que el láser funcione en el estado de bloqueo del modo solitón. La parte de espacio libre tenía unos 70 mm y se puede mover para ajustar la tasa de repetición. La pérdida de acoplamiento de fibra a espacio libre a fibra es inferior a 1 dB (20 %). El filtro de paso de banda óptico instalado en la parte del espacio libre se utilizó para sintonizar la longitud de onda central del láser de modo bloqueado ajustando el ángulo de incidencia. Si el ángulo de incidencia de la luz dentro de la cavidad se inclina lejos de la dirección normal (o si el ángulo de incidencia es de 0°), el espectro de transmisión del filtro de paso de banda óptico se desplazará hacia una longitud de onda más corta (desplazamiento al azul) de acuerdo con lo siguiente ecuación,

donde λtilt es la longitud de onda transmitida cuando el filtro de paso de banda óptico está inclinado en un ángulo de incidencia de θ, λnormal es la longitud de onda transmitida cuando el filtro de paso de banda óptico es normal a la luz entrante, no es el índice de refracción del medio incidente y neff es el índice de refracción efectivo del filtro de paso de banda óptico. La figura 2b muestra los resultados de la simulación numérica de la curva de transmisión del filtro de paso de banda óptico utilizado en este estudio frente al ángulo de incidencia. Además, las longitudes de onda centrales del láser de modo bloqueado se compararon con la curva de transmisión del filtro de paso de banda óptico frente al ángulo de incidencia. Estos resultados se describirán con más detalle en la siguiente sección.

Disposición del láser de fibra de mantenimiento de polarización sintonizable en modo bloqueado de banda C completo: (a) diseño óptico de la cavidad del láser del láser bloqueado en modo sintonizable de banda C. C: colimador de fibra. BPF: filtro de paso de banda, WDM: multiplexor de longitud de onda, Bomba LD: diodo láser de bomba. (b) Curva de transmisión del filtro de paso de banda frente al ángulo de incidencia. Los puntos rojos indican la longitud de onda central medida del láser de modo bloqueado frente al ángulo de incidencia.

Los espejos de los extremos de la cavidad del láser consistían en un revestimiento dicroico en el conector FC/PC y el SESAM. Ambos espejos de los extremos trabajaron de manera multifuncional para reducir la cantidad de componentes ópticos dentro de la cavidad del láser y minimizar la longitud de la cavidad del láser. El revestimiento dicroico al final de la fibra dopada con erbio que mantiene la polarización se diseñó con un 90 % de reflectancia y un 10 % de transmitancia a una longitud de onda de 1550 nm y con un 100 % de transmitancia a una longitud de onda de 980 nm. El recubrimiento dicroico actuó como un acoplador de salida a una longitud de onda de 1550 nm pero fue transparente a una longitud de onda de 980 nm para el bombeo óptico. El láser de bombeo con una longitud de onda de 980 nm incidió fuera de la cavidad del láser desde el multiplexor de longitud de onda de fibra PM (WDM) y la señal de salida del láser de bloqueo de modo se emitió desde el recubrimiento dicroico como un acoplador de salida. El SESAM, que tiene una profundidad de modulación del 14 %, una pérdida no saturable del 9 % y una constante de tiempo de relajación de 2 ps, se acopló a tope al conector FC/PC de la fibra PM estándar y actuó como un bloqueador de modo y un espejo final. En este trabajo, se propone un diseño óptico sin empalme por fusión de fibra a pesar de la pérdida de acoplamiento, lo que hace que este diseño sea beneficioso para el montaje y el mantenimiento.

En longitudes de onda centrales más cortas (1505–1524 nm), el bloqueo de modo generalmente se iniciaba automáticamente a una potencia de bombeo de 600 mW, lo que resultaba en una potencia de salida de alrededor de 10 mW. Por otro lado, en longitudes de onda más largas (1530-1561 nm), una potencia de bombeo de solo 400 mW podría conducir a un arranque automático con una potencia de salida de alrededor de 5 mW. Cuando comienza el bloqueo de modo, el láser de bloqueo de modo propuesto emite pulsos de femtosegundos con un espacio temporal de 4 ns, correspondiente a una tasa de repetición de 250 MHz, como se muestra en las Fig. 3a y b. Se midieron trenes de pulsos estables del láser de modo bloqueado durante más de 2000 ns sin fluctuaciones de amplitud notables, y se registró claramente un solo pulso, como se muestra en la vista ampliada de la figura. La Figura 3c muestra el espectro de RF a una tasa de repetición fundamental de 250 MHz con la resolución y el ancho de banda de video establecidos en 3,3 Hz. Medimos una relación señal-ruido de 70 dB a una tasa de repetición fundamental de 250 MHz. También medimos el espectro de RF durante la sintonización de la tasa de repetición de 249,8 a 252,2 MHz, como se muestra en el recuadro de la Fig. 3c.

Características de dominio de RF del láser de bloqueo de modo sintonizable de banda C: (a) trenes de pulsos de salida de más de 2000 ns. ( b ) Vista ampliada de la Fig. 2a durante 20 ns. (c) Espectro de RF a la tasa de repetición fundamental con un ancho de banda de resolución y un ancho de banda de video de 3,3 Hz. El recuadro muestra la capacidad de ajuste de la tasa de repetición de 249,8 a 252,2 MHz con un ancho de banda de resolución y un ancho de banda de video de 15 kHz.

Las características ópticas del láser de modo bloqueado se describen en la figura 4. La figura 4a muestra los resultados de la medición de los espectros ópticos y las salidas de potencia de salida cuando se sintoniza la longitud de onda central de 1505 a 1561 nm, que cubre completamente la banda C ( 1530-1565 nm). Tenga en cuenta que esto también cubre la línea de absorción de muchos gases de efecto invernadero, incluidos NH3, C2H2, CO2, HCN y CO. Además, puede cubrir la línea de absorción de 13C0H2 cerca de 1542 nm y 85Rb cerca de 778 nm mediante la generación de segundo armónico, que son las líneas de absorción recomendadas para la longitud estándar por BIPM (Bureau international des poids et mesures)40. Es importante destacar que los modos de peine individuales del láser de bloqueo de modo propuesto pueden tener mucha más potencia óptica que los láseres de bloqueo de modo sintonizables de longitud de onda anteriores debido a la alta tasa de repetición, que permite una mejor relación señal-ruido. En un ángulo de incidencia de 0°, el láser de modo bloqueado normalmente mostraba una longitud de onda central de 1561 nm, un ancho de banda espectral de 3 dB de 5,1 nm, una duración de pulso (ajustada a la curva Sech2) de 640 fs y una potencia de salida de 5,1 mW, como se muestra en la Fig. 4a y b. A medida que el espectro de transmisión del filtro de paso de banda óptico se desplazó hacia una longitud de onda más corta al aumentar el ángulo de incidencia, la longitud de onda central del láser de modo bloqueado también se desplazó hacia una longitud de onda más corta, como se muestra en las Figs. 2b y 4a. Observamos la generación determinista del láser de modo bloqueado simplemente inclinando el ángulo de incidencia de la luz intracavitaria. Tenga en cuenta que el filtro de paso de banda óptico también influyó en la supresión de las bandas laterales de Kelly, a pesar de que el ancho de banda del filtro de paso de banda óptico era notablemente mayor que el ancho de banda espectral del láser de modo bloqueado41. Para estados de bloqueo de modo estable, la potencia de salida típicamente osciló entre 5 y 9 mW, excepto para un cierto régimen, en este caso de 1516 nm a 1524 nm. La ganancia de la fibra dopada con Er fue baja en longitudes de onda más cortas de 1505 nm a 1524 nm42. Al aumentar la longitud de onda, la potencia de salida aumentó gradualmente de 6 a 15 mw debido a la mayor ganancia.

Características ópticas del láser de bloqueo de modo sintonizable de banda C: (a) Características espectrales medidas por un analizador de espectro óptico de 1500 a 1580 nm. La parte superior muestra la potencia de salida en el momento del autoarranque, oa la potencia mínima de la bomba. La parte inferior muestra varias líneas de absorción importantes en la longitud de onda de la banda C. SHG: generación de segundo armónico (b) Medida de autocorrelación óptica para evaluar la duración de los pulsos.

Los espectros ópticos en todo el rango de la longitud de onda central se ajustaron bien a la curva Sech2, indicativa de pulsos de solitones típicos. La Figura 5 muestra ejemplos del espectro óptico (color gris) con ajuste de curva Sech2 (color rojo) y ajuste de curva Gaussiana (color azul) para comparar. Como se muestra en la Fig. 5a-c, los espectros medidos del láser de modo bloqueado coincidieron bien con la curva Sech2 y la curva de Gauss cerca de las longitudes de onda centrales. Sin embargo, lejos de la longitud de onda central, los espectros medidos coincidían bien no con la curva de Gauss sino solo con la curva de Sech2. Esto muestra claramente que el láser propuesto operaba en el régimen de bloqueo del modo solitón.

| Ajustes de curvas de algunos ejemplos del espectro óptico a curvas gaussianas y Sech2: resultados de ajuste de curvas para las longitudes de onda centrales de (a) 1505 nm, (b) 1527 nm y (c) 1561 nm.

La Figura 6 presenta cuantitativamente con más detalle el producto del ancho de banda en el tiempo, la duración del pulso y el ancho de banda espectral de 3 dB del espectro óptico para cada longitud de onda central. Las duraciones de los pulsos oscilaban típicamente entre 640 fs y 2,8 ps, suponiendo una forma de pulso Sech2, mientras que los anchos de banda espectrales de 3 dB oscilaban entre 0,9 y 5,1 nm. Sin embargo, no parecen depender de la longitud de onda central. El producto del ancho de banda en el tiempo, definido como el producto de lo temporal y lo espectral, era típicamente cercano a 0.315, correspondiente a pulsos Sech2 limitados por transformada. Para algunas longitudes de onda centrales, se observaron productos de ancho de banda de tiempo superiores a 0,315, como se informó en estudios previos18,23,30, probablemente causados ​​por condiciones intracavitarias dependientes de la longitud de onda, como pérdida de cavidad, ganancia, dispersión y SESAM.

Resumen de las características ópticas del láser de bloqueo de modo sintonizable de banda C. La sección superior, la sección central y la sección inferior muestran el producto del ancho de banda en el tiempo, la duración del pulso y el ancho de banda óptico de 3 dB, respectivamente.

En este artículo, propusimos y demostramos un láser de fibra de mantenimiento de polarización bloqueada en modo sintonizable de longitud de onda de banda C basado en cavidad lineal Fabry-Perot. Con un diseño de cavidad láser modificado que utiliza el filtro de paso de banda masivo en nuestro estudio anterior, aumentamos drásticamente la tasa de repetición de 125 MHz de nuestro estudio anterior35 a 250 MHz, que es la tasa de repetición más alta para un láser sintonizable de modo bloqueado de banda C hasta ahora a lo mejor de nuestro conocimiento. Se realizó con éxito un amplio rango sintonizable de longitud de onda de 1505 nm a 1561 nm con la operación llave en mano del bloqueo del modo solitón simplemente ajustando el ángulo de incidencia de la luz dentro de la cavidad en la cavidad. Este diseño simple permite que el láser propuesto funcione de manera estable y robusta en casos reales. El láser propuesto tiene una tasa de repetición de 250 MHz, que es lo suficientemente buena para ser explotada en la mayoría de las aplicaciones de peine de frecuencia de alta precisión, como metrología dimensional óptica de alta precisión, espectroscopia de banda ancha y comunicaciones ópticas de alta capacidad. Más importante aún, a diferencia de los peines convencionales, se espera que la potencia óptica notablemente alta de los modos de peine individuales permita una mejora de la relación señal-ruido, lo que permitirá realizar tareas que antes eran difíciles de realizar en varias aplicaciones.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores agradecen el apoyo del Instituto de Investigación de Normas y Ciencias de Corea (23011041, 22011230).

Grupo de Longitud, Instituto de Investigación de Normas y Ciencias de Corea, Daejeon, 34113, República de Corea

Yoon-Soo Jang, Jungjae Park y Jonghan Jin

Especialización en Medición de Precisión, Universidad de Ciencia y Tecnología, Daejeon, 34113, República de Corea

Parque Jungjae y Jonghan Jin

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Y.-SJ diseñó y dirigió el trabajo. Y.-SJ realizó los experimentos. Y.-SJ, JP y JJ realizaron el análisis de los datos medidos. Y.-SJ y JJ prepararon el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jonghan Jin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Jang, YS., Park, J. y Jin, J. Láser de fibra de mantenimiento de polarización bloqueada en modo de frecuencia de repetición de 250 MHz ajustable en longitud de onda de banda C completa. Informe científico 13, 3623 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30532-z

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Recibido: 16 diciembre 2022

Aceptado: 24 de febrero de 2023

Publicado: 03 marzo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30532-z

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