obiecte

abstract

Pe de altă parte, înmulțirea frecvenței extra-cavitate (RRM) poate fi o soluție eficientă pentru a obține o frecvență repetitivă cu mai mult GHz din standard

Lasere modulate de 100 MHz. Au fost demonstrate mai multe metode diferite în acest scop, cum ar fi standardele Fabry-Perot (FP) 26, 27, 28, 29, interferometrele Mach-Zehnder 30, 31, 32 și rezonatoarele subcircuite 33, 34, 35. Modurile de frecvență prelucrate cu precizie ale filtrelor de cavitate FP peste gama spectrală GHz, iar această selecție a modului poate fi stabilizată prin tehnici de stabilizare bine dezvoltate 36, 37. Cu toate acestea, în general, este costisitor și sensibil la aliniere și are o relație puternică între intrare și ieșire. Interferometrul Mach-Zehnder cu 2 fire poate traduce însăși secvența de impulsuri cu pași seriali de duplicare de 2 n. Aici, fiecare etapă necesită o reglare individuală a întârzierii și eroarea de lungime a căii poate fi ușor acumulată. Prin urmare, sunt disponibile doar câteva etape în cascadă. Rezonatorul subinelar de fibre este avantajos pentru menținerea energiei pulsate, dar poate realiza un factor de multiplicare doar de câteva ori. În mod normal, aceste tehnici nu pot preveni o pierdere internă de putere proporțională cu raportul de multiplicare.

Alternativ, injecția poate fi aplicată sistemului RRM cu cavitate suplimentară. Blocarea prin injecție cu laser este utilizată în principal pentru a amplifica 38 și a copia 39, 40, 41, 42 un oscilator laser cu zgomot redus. Un laser sclav atent conceput poate moșteni caracteristicile semnalului laser principal cu o putere de injecție relativ redusă. Printre mai multe metode RRM bazate pe injecție care au fost demonstrate până acum 43, 44, 45, 46, blocarea prin injecție armonică este o modalitate eficientă de a crește factorul de multiplicare cu efectul Vernier 44, 45, 46, care a dus recent la o raport de suprimare maxim de 25 dB. Modul lateral (SMSR) atunci când este multiplicat cu un factor de 25 (40 MHz la 1 GHz) 46 .

Rezultatul

RRM armonic pe bază de injecție

Blocarea injecției cu laser poate fi considerată ca o amplificare regenerativă a semnalului principal prin oscilatorul slave. În special, interacțiunea multimodală între crestele de frecvență optică este descrisă ca un grup de blocare tipică a injecției 47 și explicată teoretic folosind teoria interferenței 39, 40 cu privire la impulsurile slabe de injecție de la laserul principal ca interferență pentru a rezolva blocarea modului laser. Când spațiul modului celor două creste, adică frecvențele frecvențelor de repetare ale laserelor master și slave, este setat la un raport întreg cu cel mai mic multiplu comun, se realizează injecția de armonică (Fig. 1a). Aici, modurile de injecție trebuie blocate suficient pentru a suprima oscilația nedorită a laserului slave în condiții de funcționare adecvate.

foarte

Sistem de multiplicare armonică bazat pe armonie. A ) Principiul conceptual al injecției armonice. f M, rata principală de repetare a laserului; f S, rata de repetare a laserului sclav; ieșire f, înmulțită cu frecvența de repetare a ieșirii finale. ( b ) Schema generală a configurației experimentale. EDFA, amplificator cu fibre dopate cu erbiu; VOA, atenuator optic variabil; SESAM, oglindă absorbantă semiconductoare.

Imagine la dimensiune completă

Sistemul de testare testat este prezentat în FIG. Laserul principal, un laser Erbium polarizant neliniar cu mod rotativ, are o rată de repetare de 78,43 MHz. Pompa de circulație este utilizată atât pentru a ghida injecția semnalului principal, cât și pentru semnalul de ieșire de ieșire cu o frecvență repetată repetată. Laserul sclav este un absorbant saturabil semiconductor (SESAM) cu cavitate liniară, laser cu fibră Er cu o lungime reglabilă de 14 cm prin mișcarea oglinzii de capăt montate pe faza de translație (pentru mai multe informații, consultați Metode).

Rezultatele măsurătorilor pentru RRM. A ) Spectre optice ale semnalelor. Spectrele 1 și 2 arată spectrele blocate în mod ale laserelor slave și master pentru fiecare (gamă largă pe insert), 3 este semnalul principal filtrat pentru injecție și 4 este ieșirea finală înmulțită a sistemului RRM. ( b ) Spectrul RF al ieșirii frecvenței de repetare. ( c ) Rezultatul măsurării domeniilor de timp ale semnalelor de ieșire fotodetectate. ( d ) Măsurarea pe termen lung a diferenței relative de frecvență la frecvența finală de ieșire multiplicată între laserele master și slave.

Imagine la dimensiune completă

unde λc este lungimea de undă medie și c este viteza luminii atunci când N = M + 1. Aceasta este de acord cu spectrul optic măsurat (curba 4 din Fig. 2a; ε = 1,8 kHz conduce la o separare a muchiei de 1,9 nm). Cu toate acestea, o eroare suficient de mică în rata ratei de repetare în domeniul injecției oferă moduri de frecvență suficiente pentru a crea starea RRM dorită. Rețineți că, chiar și fără nici un control între cele două lasere, starea RRM detectată este menținută mai mult de 12 ore.

Figura 2b prezintă spectrul RF măsurat al semnalului de ieșire cu frecvență repetată. Așa cum era de așteptat, un mod de frecvență puternic blocat prin injecție este obținut la 1,02 GHz, coexistând moduri mult mai slabe. SMSR, raportul dintre puterea RF a modului principal și cel mai pronunțat mod lateral, este un indice tipic pentru evaluarea calității RRM. Reglarea corectă a raportului de injecție (de exemplu, raportul dintre puterea principală de injecție și puterea de emisie a laserului sclav) și filtrarea optică sunt necesare pentru a maximiza SMSR (vezi secțiunea Metode). Valoarea maximă SMSR pentru factorul RRM 13 este măsurată la 32 dB, care este comparabilă cu funcția de transfer a cavității cu o singură trecere FP cu finețe

300 27, 28, 29. FIG. 2c prezintă o formă de undă a domeniului de timp al unui tren de impulsuri multiplicat, măsurată de un osciloscop în timp real de 33 GHz (Keysight, MSOV334A). Așa cum era de așteptat din factorul RRM 13, forma de undă a trenului de impulsuri prezintă modulație de amplitudine cu o perioadă de 13 impulsuri. Adâncimea maximă măsurată a modulației amplitudinii 5,6% este de acord cu rezultatul calculat din SMSR măsurat 32 dB.

De asemenea, am evaluat deriva frecvenței pe termen lung între maseur și oscilatoarele slave atunci când blocați injecția. Figura 2d prezintă rezultatul diferenței relative de frecvență pe termen lung la 1 GHz. Rețineți că un laser master de 250 MHz (M = 4) și un laser slave de 76,99 MHz (N = 13) sunt utilizate pentru această măsurare, rezultând un impuls de ieșire de 1 GHz blocat. Se poate observa că blocarea injecției poate fi menținută timp de 12 ore, iar când întrerupem intenționat injecția, funcționarea liberă între cele două lasere este clar vizibilă.

Tunabilitate în factorul de multiplicare

Principalul avantaj al sistemului RRM cu injecție de armonică este funcționarea extrem de reglabilă cu efect Vernier. Rețineți că înmulțirea frecvenței de repetare are loc atunci când o pereche de numere întregi M și N de coprimă îndeplinește următoarea relație, Mf M = f ieșire ≈ Nf S, unde f M și f S sunt frecvențele de repetare ale oscilatorilor master și slave și frecvența de repetare multiplicată rezultată. Ca rezultat, reglând f S pentru un fM dat, există numeroase combinații de perechi întregi co-prime (M, N), ceea ce permite o tunabilitate ridicată în factorul principal de multiplicare a laserului M. În FIG. 3 prezintă un exemplu al factorilor de multiplicare disponibili M față de frecvența de repetare a laserului slave (în intervalul 51 MHz - 78 MHz) atunci când rata de repetare a semnalului laser principal fM este fixă ​​la 78,43 MHz. Între diferitele combinații de M și N, examinăm trei cazuri mai detaliat.

Condiții posibile de injectare a armonicilor pentru RRM. ( A ) N = (M + 1) condiții RRM. Ieșirile M = 13, 27, 51 și 102 (1 GHz, 2 GHz, 4 GHz și 8 GHz) sunt caracterizate pentru cazuri reprezentative. ( b ) M = 51 condiții RRM cu condiții diferite ale oscilatorului slave (N = 52, 53 și 55). ( c ) M = 2, 3, 5 și 7 condiții RRM. Rezultatele măsurării spectrului RF prezentate în FIG. 4a, 4b și 4c corespund zonelor ( A ), ( b ) A ( c ) în această figură.

Imagine la dimensiune completă

În primul rând, în cazul A în FIG. 3, N este setat la (M + 1), astfel încât toți factorii M să poată fi comutați fără probleme de la 13 (1,02 GHz) la 128 (10,04 GHz) prin reglarea oglinzii finale a oscilatorului slave printr-o traducere lungă de 14 cm. Dintre acestea, spectrele RF măsurate pentru cele patru cazuri reprezentative (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) și (102, 103) sunt prezentate în FIG. 4a. Cazul b în FIG. 3 arată că valori diferite ale lui N pot atinge același factor de multiplicare M. În FIG. 4b prezintă trei cazuri diferite de condiții ale oscilatorului slave (N = 52, 53 și 55) pentru multiplicarea M = 51 (4 GHz). O constatare interesantă este că, deși spectrele RF au forme diferite, toate au valori SMSR similare

20 dB. În domeniul timpului, aceste trei cazuri au un curs diferit de la impuls la impuls, dar o cantitate similară de adâncime de modulație. În cele din urmă, cazul c în FIG. 3 indică condiții scăzute (de exemplu, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 43, 46). Rezultatele SMSR sunt similare sau mai bune decât abordările anterioare până la factorul RRM.

30 și în continuare arată o tunabilitate mai mare până la un factor RRM> 100. Rețineți că, chiar dacă ambele lasere nu sunt blocate, SMSR-urile sunt similare cu rezultatul raportat anterior, cu o blocare a diferenței de 46. Pentru a verifica efectul blocării f ceo, am implementat și testat și mecanismul de blocare a diferenței f ceo prezentat în ref. 46, dar nu a putut găsi o diferență clară sau o îmbunătățire în SMSR.

Spectrele RF ale frecvențelor repetate multiplică semnalele în diferite condiții de multiplicare. ( A ) (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) și (102, 103). ( b ) (M, N) = (51, 52), (51, 53), (51, 55). ( c ) (M, N) = (2, 3), (3, 4), (5, 7), (7, 10).

Imagine la dimensiune completă

Varianta SMSR versus factorul de multiplicare și comparația cu rezultatele anterioare. Sistem demonstrat (diamant negru) și metode RRM conexe folosind blocarea injecției (triunghi portocaliu), filtrare prin găuri (triunghi albastru inversat), intercalare MZI (pătrat verde), cavități FP de 30 dB SMSR menținute la un factor de multiplicare

20. Rețineți că fotodioda de 10 GHz este utilizată pentru a măsura spectrul RF care a limitat SMSR-urile măsurate în FIG. 6 numai pentru factorul de multiplicare

40 pentru oscilatoare master 250 MHz. RRM real poate apărea în afara acestui interval de RRM. Aceste rezultate arată că o singură cavitate laser sclavă (cu un mecanism de reglare a lungimii, cum ar fi o oglindă finală pe faza de translație) poate fi utilizată pentru diferite lasere principale cu frecvențe de repetare semnificativ diferite.

Varianta SMSR versus factorul de multiplicare pentru diferite lasere majore. (a) Model optic de polarizare neliniară de 78, 43 MHz acasă cu model blocat prin rotație. (b) bucle amplificatoare de fibră oglindă bazate pe modem neliniar de 35,7 MHz. (c) bucle de amplificare a fibrelor optice neliniare la 250 MHz cu un sistem în mod oglindă (MenloSystem GmbH, FC1500-250-ULN).

Imagine la dimensiune completă

Zgomotul de fază și intensitatea zgomotului de frecvențe repetate

Densitățile spectrale ale zgomotului de fază și intensitățile de zgomot (PSD) ale impulsurilor multiplicate sunt caracteristice. În primul rând, sunt examinate patru condiții RRM (unde SMSR este maximizat pentru fiecare caz) la 1,02 GHz, 2,04 GHz, 4,08 GHz și 8,16 GHz (M = 13, 26, 52 și 104). PSD-urile cu zgomot de fază sunt măsurate cu un analizor de sursă de semnal (Rohde & Schwarz, FSWP) pe aceeași frecvență purtătoare la 8,16 GHz. Așa cum se arată în FIG. 7, formele și nivelurile zgomotului de fază sunt similare pentru toți factorii RRM. Durerile absolute de sincronizare integrate sunt mai mici de 379 fs (62 fs) cu o jitteră aditivă maximă de 316 fs (62 fs) când sunt integrate de la 10 Hz (10 kHz) la o frecvență Fourier de 2 MHz. O constatare interesantă este că, pe măsură ce RRM crește, vârful scade la

240 kHz. Ca rezultat, un factor RRM mai mare duce la un jitter de sincronizare integrat mai mic: atunci când M este setat la 102 (8,16 GHz), jitterul de sincronizare rms integrat scade la 19,6 fs. Rețineți că jitterul de sincronizare de înaltă frecvență demonstrat în intervalul de 20 - 60 fs este comparabil sau mai mic decât rezoluția de timp a osciloscoapelor de mare viteză de înaltă performanță disponibile în prezent. Zgomotul de intensitate relativă (RIN) este măsurat utilizând un analizor FFT (Stanford Research Systems, SR770) și un analizor de spectru RF (Agilent, E4411B) pentru o frecvență Fourier de 100 kHz. RIN PSD (Fig. 8) forme și niveluri similare au fost măsurate ca rezultate ale zgomotului de fază (Fig. 7), indiferent de factorul RRM. RIN-ul integrat este mai mic de 0,2% atunci când este integrat de la o frecvență Fourier de 10 Hz la 2 MHz.

Zgomot de fază de frecvență repetat și jitter de sincronizare integrat al semnalului de ieșire RMM. (a) M = 13 (1,02 GHz). (b) M = 26 (2,04 GHz). (c) M = 52 (4,08 GHz). (d) M = 102 (8,16 GHz). e) Laser principal 78, 14 MHz. f) laser sclav de 72, 84 MHz.

Imagine la dimensiune completă

Intensitatea relativă a zgomotului (RIN) a semnalului de ieșire RMM. (a) M = 13 (1,02 GHz). (b) M = 26 (2,04 GHz). (c) M = 52 (4,08 GHz). (d) M = 102 (8,16 GHz). e) Laser principal 78, 14 MHz. f) un laser sclav de 72, 84 MHz.

Imagine la dimensiune completă

discuţie

Am investigat condițiile de funcționare și performanța realizabilă a unui sistem RRM cu impulsuri de înaltă frecvență, foarte reglabil, bazat pe injecție pe bază de injecție. A fost demonstrat un factor RRM de până la 128 (> 10 GHz) de la 78,43 MHz. Valoarea maximă a SMSR este de 41 dB pentru M = 2 și SMSR scade monoton la 12 dB pentru M = 128. Comparativ cu alte metode RRM existente, cum ar fi interferometrul Mach-Zehnder 30, 31, 32 și rezonatoarele all-pass 33, 34, 35, are o multiplicabilitate mult mai mare cu performanțe SMSR similare. În plus, valoarea SMSR demonstrată este mai mare decât metodele de filtrare a cavității cu o singură trecere cu cavitate FP cu finețe

300 27, 28, 29 pentru gama totală testată. Numai metodele de filtrare cu trecere dublă a cavităților 26, 28, 400 nm pentru calibrarea spectrografelor astronomice în regiunea infraroșu apropiat. Știință. Instrumentaţie. 81, 063105 (2010). "Href ="/articles/s41598-018-31929-x # ref-CR49 "> 49 care necesită sisteme electronice de blocare sofisticate pot avea valori SMSR mult mai mari decât rezultatele RRM demonstrate cu injecție blocată. Banda și intensitatea zgomotului care arată similar niveluri, indiferent de factorul de multiplicare, sincronizarea absolută a frecvenței înalte (de exemplu, frecvența Fourier> 10 kHz) poate fi la fel de mică ca

20 fs. Implementare simplă și robustă a tuturor fibrelor și zgomot excesiv redus, sistemul RRM demonstrat poate găsi diverse aplicații în fotonica cu microunde, comunicații optice, eșantionare optică, conversii fotonice analog-digitale și sisteme de distribuție a ceasului.

metode

Lasere blocate cu fibră pentru oscilatoare master și slave

Pentru laserul principal de control, se utilizează un mod rotativ de polarizare neliniară (NPR) cu laser din fibră de erbiu blocat cu o frecvență de repetare de 78,43 MHz în cavitatea sigma. Cu dispersie aproape nulă a cavității clare (

0.002 ps2) pentru modul de blocare a modului pulsat, spectrul optic are mai mult de 50 nm lățime de bandă FWHM centrată la 1580 nm. Un laser sclav este o oglindă absorbantă semiconductoare (SESAM) bazată pe un mod soliton într-o cavitate liniară cu o dispersie negativă a cavității ochiurilor (

−0.017 ps 2). Acest laser conține un spațiu liber scurt, cu o oglindă de capăt montată pe o etapă de translație lungă de 14 cm pentru reglarea lungimii cavității.

Condiții și rezultate experimentale

Când se utilizează un ambreiaj 90:10 pentru laserul sclav, puterea sa de ieșire înainte de injecția de injecție este dezactivată

1, 1 mW. Puterea de ieșire injectată este în intervalul îngust de 1, 1 mW - 1, 24 mW, deși puterea de intrare variază într-o gamă largă de 8 mW - 24 mW. În plus, puterea de ieșire a variat sub 0,2 dB pentru toate condițiile factorului de multiplicare când se menține puterea de intrare. Lățimea impulsului de ieșire este

1,5 ps, care este aproape independent de starea impulsului de intrare (de exemplu, injecția de 100 fs sau 1,7 ps a dus la o lățime similară a impulsului de ieșire). Trebuie remarcat faptul că, deși pulsul principal este menținut, pozițiile de timp ale micilor pre-și post-impulsuri depind de distanța dintre margini și de forma spectrului optic de ieșire (Fig. 2a). În general, lățimea de bandă spectrală optică de ieșire și puterea medie de ieșire nu se schimbă prea mult sau condițiile de multiplicare în schimbare. Pe măsură ce SMSR se modifică pentru diferite condiții de multiplicare, adâncimea de modulare a amplitudinii trenului de impulsuri în domeniul timpului se schimbă. Bineînțeles, SMSR-urile mai mari conduc la o adâncime mai mică a modulației amplitudinii (de exemplu, SMSR-urile de 40 dB și 20 dB duc la

40% adâncimea modulației amplitudinii).

Găsirea condițiilor optime de injecție

1, 1 mW cu putere de injecție la

8 mW. După cum se poate vedea din FIG. 9, reducerea puterii de injecție de intrare (raportul de injecție) duce la un SMSR mai mare: injecția mai mică de 10 mW ar putea duce la performanțe ridicate de SMSR.

Performanța injecției versus SMSR pentru diferiți factori de multiplicare. Fiecare număr indică SMSR măsurat în unitate dB. Pentru experiment se utilizează un laser master 250-MHz și un laser sclav reglabil 73-78 MHz.

Imagine la dimensiune completă

Mulțumiri

Această cercetare a fost susținută de Fundația Națională de Cercetare din Coreea (Grant 2018R1A2B3001793).

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.