елементи

абстрактно

От друга страна, умножението на честоти извън кухината (RRM) може да бъде ефективно решение за постигане на повтаряща се честота с повече GHz от стандартните

100 MHz модулирани лазери. За тази цел са демонстрирани няколко различни метода, като стандарти 26, 27, 28, 29 на Fabry-Perot (FP), интерферометри 30, 31, 32 на Mach-Zehnder и резонатори 33, 34, 35. Прецизно обработени честотни режими на FP кухинни филтри в спектралния диапазон GHz и този избор на режим може да бъде стабилизиран чрез добре разработени техники за стабилизиране 36, 37. Като цяло обаче той е скъп и чувствителен към подравняване и има силна връзка между входа и изхода. Двунишковият интерферометър на Mach-Zehnder може да транслира самата импулсна последователност със серийни стъпки от 2 n дублиране. Тук всеки етап изисква индивидуална настройка на закъснението и грешката на дължината на пътя може лесно да се натрупа. Следователно са налични само няколко каскадни етапа. Резонаторът с влакнести подпръстени е изгоден за поддържане на импулсна енергия, но може да постигне коефициент на умножение само няколко пъти. Обикновено тези техники не могат да предотвратят вътрешна загуба на мощност, пропорционална на коефициента на умножение.

Като алтернатива може да се приложи инжекция към RRM системата с допълнителна кухина. Заключването с лазерно инжектиране се използва главно за усилване на 38 и дублиране на 39, 40, 41, 42 нискошумов лазерен осцилатор. Внимателно проектираният подчинен лазер може да наследи характеристиките на основния лазерен сигнал с относително ниска инжекционна мощност. Сред няколкото базирани на инжектиране RRM методи, които са демонстрирани досега 43, 44, 45, 46, хармоничното блокиране на инжектирането е ефективен начин за увеличаване на коефициента на умножение чрез ефекта на Верние 44, 45, 46, което наскоро доведе максимално съотношение на потискане от 25 dB. Страничен режим (SMSR), умножен по коефициент 25 (40 MHz до 1 GHz) 46 .

резултатът

Инжекционен хармоничен RRM

Заключването на лазерното инжектиране може да се разглежда като регенеративно усилване на основния сигнал през подчинения осцилатор. По-специално, многомодовото взаимодействие между оптичните честотни гребени е описано като група от типично блокиране на инжектирането 47 и теоретично обяснено с помощта на теория за смущения 39, 40 по отношение на слабите инжекционни импулси от основния лазер като интерференция за разрешаване на блокирането в лазерен режим. Когато разстоянието на режима на двата хребета, т.е. честотите на честотите на повторение на главния и подчинения лазер, е зададено на цяло число съотношение с най-малкото общо кратно, се постига хармонично инжектиране (фиг. 1а). Тук режимите на инжектиране трябва да бъдат заключени достатъчно, за да потиснат нежеланото трептене на подчинения лазер при подходящи работни условия.

умножение

Система за хармонично умножение, базирана на хармония. а ) Концептуален принцип на хармоничното инжектиране. f M, основна скорост на повторение на лазера; f S, скорост на повторение на подчинен лазер; f изход, умножен по честотата на повторение на крайния изход. ( б ) Обща схема на експерименталната настройка. EDFA, усилен усилвател с легиран ербий; VOA, променлив оптичен атенюатор; SESAM, полупроводниково огледало с наситен абсорбатор.

Изображение в пълен размер

Изпитваната система за изпитване е показана на ФИГ. Основният лазер, нелинеен поляризиращ ербиев лазер с въртящ се режим, има честота на повторение 78,43 MHz. Циркулационната помпа се използва както за насочване на впръскването на основния сигнал, така и за изходния изходен сигнал с повтаряща се честота на повторение. Подчиненият лазер е линейна кухина, полупроводников наситен абсорбер (SESAM), заключен солитонен лазер Er-fiber с регулируема дължина 14 cm чрез преместване на крайното огледало, монтирано на транслационната фаза (за повече информация вижте Методи).

Резултати от измерването за RRM. а ) Оптични спектри на сигнали. Спектри 1 и 2 показват заключените в режим спектри на подчинените и главните лазери за всеки (широк диапазон на вложката), 3 е филтрираният главен сигнал за инжектиране и 4 е окончателният умножен изход на RRM системата. ( б ) РЧ спектър на изхода на честотата на повторение. ( ° С ) Резултат от измерването на времеви области на фотодетектираните изходни сигнали. ( д ) Дългосрочно измерване на относителната честотна разлика при крайната умножена изходна честота между главния и подчинения лазер.

Изображение в пълен размер

където λc е средната дължина на вълната, а c е скоростта на светлината, когато N = M + 1. Това съвпада добре с измерения оптичен спектър (крива 4 на фиг. 2а; ε = 1,8 kHz води до 1,9 nm разделяне на ръба). Независимо от това, достатъчно малка грешка в скоростта на повторение в обхвата на инжектиране осигурява достатъчно честотни режими за създаване на желаното RRM състояние. Имайте предвид, че дори без никакъв контрол между двата лазера, откритото RRM състояние се поддържа за повече от 12 часа.

Фигура 2b показва измерения радиочестотен спектър на изходния честотен честотен сигнал. Както се очаква, силен честотен режим, заключен чрез инжектиране, се получава при 1,02 GHz с много по-слаби режими, съжителстващи. SMSR, съотношението на RF мощността на основния режим към най-изразения страничен режим, е типичен индекс за оценка на качеството на RRM. Правилната настройка на коефициента на впръскване (т.е. съотношението на основната мощност на впръскване към мощността на излъчване на подчинения лазер) и оптичното филтриране са необходими, за да се увеличи максимално SMSR (вижте раздела Методи). Максималната стойност на SMSR за фактора RRM 13 се измерва при 32 dB, което е съпоставимо с предавателната функция на еднопроходния кухинен FP с финост

300 27, 28, 29. Фиг. Фигура 2в показва форма на вълната във времева област на умножен импулсен механизъм, измерена с 33 GHz осцилоскоп в реално време (Keysight, MSOV334A). Както се очаква от RRM фактор 13, формата на вълната на импулсния сигнал показва амплитудна модулация с период от 13 импулса. Измерената максимална дълбочина на амплитудната модулация 5,6% се съгласува добре с изчисления резултат от измерения SMSR 32 dB.

Също така оценихме дългосрочния дрейф на честотата между масажиста и подчинените осцилатори, когато заключихме инжекцията. Фигура 2г показва резултата от дългосрочната относителна честотна разлика при 1 GHz. Обърнете внимание, че за това измерване се използват главен лазер от 250 MHz (M = 4) и 76,99 MHz подчинен лазер (N = 13), което води до блокиране на изходен импулс от 1 GHz. Вижда се, че инжекционната ключалка може да се поддържа 12 часа и когато умишлено прекъсваме инжектирането, ясно се вижда свободната работа между двата лазера.

Регулируемост в коефициента на умножение

Основното предимство на RRM системата с хармонично впръскване е силно регулируемата работа с ефект Vernier. Имайте предвид, че умножението на честотата на повторение възниква, когато двойка съвместни цели числа M и N удовлетворява следната връзка, Mf M = f изход ≈ Nf S, където f M и f S са честотите на повторение на главния и подчинените осцилатори и f изходът е получената умножена честота на повторение. В резултат на това, чрез настройка на fS за даден fM, има множество комбинации от двойки съвместно прости числа (M, N), което позволява висока настройка в основния лазерен коефициент на умножение М. На фиг. 3 показва пример за наличните коефициенти на умножение M спрямо честотата на повторение на подчинения лазер (в диапазона 51 MHz - 78 MHz), когато скоростта на повторение на основния лазерен сигнал fM е фиксирана на 78,43 MHz. Между различните комбинации от M и N ние разглеждаме три случая по-подробно.

Възможни условия на хармонично инжектиране за RRM. ( а ) N = (M + 1) RRM условия. М = 13, 27, 51 и 102 (1 GHz, 2 GHz, 4 GHz и 8 GHz) изходи се характеризират за представителни случаи. ( б ) M = 51 RRM условия с различни условия на подчинен генератор (N = 52, 53 и 55). ( ° С ) M = 2, 3, 5 и 7 RRM условия. Резултатите от измерването на радиочестотния спектър, показани на фиг. 4a, 4b и 4c съответстват на области ( а ), ( б ) а ( ° С ) на тази фигура.

Изображение в пълен размер

Първо, в случая на а на фиг. 3, N е настроен на (M + 1), така че всички М фактори могат да бъдат плавно превключени от 13 (1,02 GHz) на 128 (10,04 GHz) чрез настройка на крайното огледало на подчинения осцилатор чрез 14-сантиметров превод. От тях измерените RF спектри за четирите представителни случая (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) и (102, 103) са показани на ФИГ. 4а. Случаят б на фиг. 3 показва, че различни стойности на N могат да постигнат един и същ коефициент на умножение М. На фиг. 4b показва три различни случая на подчинени осцилаторни условия (N = 52, 53 и 55) за умножение M = 51 (4 GHz). Интересна констатация е, че докато RF спектрите имат различни форми, всички те имат сходни SMSR стойности

20 dB. Във времевата област тези три случая имат различен ход импулс към импулс, но с подобно количество дълбочина на модулация. И накрая, делото ° С на фиг. 3 показва ниски условия (например 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 43, 46). Резултатите от SMSR са сходни или по-добри от предишните подходи до RRM фактора.

30 и по-нататък показват по-висока настройваемост до коефициент на RRM> 100. Имайте предвид, че дори и двата лазера да не са заключени, SMSRs са подобни на съобщения по-рано резултат с разлика от 46. За да проверим ефекта от f ceo заключването, ние също внедрихме и тествахме механизма за заключване на f ceo разлика, показан в реф. 46, но не можа да намери ясна разлика или подобрение в SMSR.

РЧ спектрите на повтарящи се честоти умножават сигналите при различни условия на умножение. ( а ) (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) и (102, 103). ( б ) (M, N) = (51, 52), (51, 53), (51, 55). ( ° С ) (M, N) = (2, 3), (3, 4), (5, 7), (7, 10).

Изображение в пълен размер

Вариант на SMSR спрямо коефициент на умножение и сравнение с предишни резултати. Демонстрирана система (черен диамант) и свързани RRM методи, използващи инжекционно блокиране (оранжев триъгълник), филтриране през отвори (син обърнат триъгълник), преплитане MZI (зелен квадрат), FP кухини от 30 dB SMSR, поддържани при коефициент на умножение

20. Обърнете внимание, че 10-GHz фотодиод се използва за измерване на радиочестотния спектър, който ограничава измерените SMSRs на фиг. 6 само за коефициента на умножение

40 за 250 MHz главни осцилатори. Действително RRM може да възникне извън този диапазон на RRM. Тези резултати показват, че една подчинена лазерна кухина (с механизъм за настройка на дължината, като крайно огледало във фазата на транслация) може да се използва за различни основни лазери със значително различни честоти на повторение.

Вариант на SMSR спрямо коефициент на умножение за различни основни лазери. (a) 78, 43 MHz домашен нелинеен поляризационен оптичен модел с модел с заключена ротация. (b) 35,7 MHz вътрешни нелинейни модемни базирани огледални усилвателни контури. в) 250-MHz нелинейни оптични усилвателни контури със система за огледален режим (MenloSystem GmbH, FC1500-250-ULN).

Изображение в пълен размер

Фазов шум и интензивност на шума на повтарящи се честоти

Характерни са спектралните плътности на фазовия шум и интензитета на шума (PSD) на умножените импулси. Първо се изследват четири RRM условия (където SMSR е максимален за всеки отделен случай) при 1,02 GHz, 2,04 GHz, 4,08 GHz и 8,16 GHz (M = 13, 26, 52 и 104). PSD на фазовия шум се измерват с анализатор на източника на сигнал (Rohde & Schwarz, FSWP) на същата носеща честота при 8.16 GHz. Както е показано на ФИГ. 7, формите и нивата на фазовия шум са сходни за всички RRM фактори. Интегрираната абсолютна треперене на времето е по-малка от 379 fs (62 fs) с максимална добавка на трептене от 316 fs (62 fs), когато е интегрирана от 10 Hz (10 kHz) до 2 MHz честота на Фурие. Едно интересно откритие е, че с увеличаване на RRM, пикът намалява при

240 kHz. В резултат на това по-високият RRM фактор води до по-нисък интегриран синхрон на трептене: когато M е зададен на 102 (8.16 GHz), интегрираният среден коефициент на синхронизация на времето намалява до 19.6 fs. Обърнете внимание, че демонстрираната високочестотна синхронизация в диапазона от 20 до 60 fs е сравнима или по-ниска от разделителната способност по време на наличните в момента високопроизводителни високоскоростни осцилоскопи. Шумът на относителната интензивност (RIN) се измерва с помощта на FFT анализатор (Stanford Research Systems, SR770) и анализатор на радиочестотния спектър (Agilent, E4411B) за честота на Фурие от 100 kHz. RIN PSD (фиг. 8) подобни форми и нива бяха измерени като резултати от фазовия шум (фиг. 7), независимо от RRM фактора. Интегрираният RIN е по-малко от 0,2%, когато е интегриран от честота на Фурие от 10 Hz до 2 MHz.

Повтарящи се честотни фазови шумове и интегрирано времево трептене на RMM изходния сигнал. (а) M = 13 (1,02 GHz). (b) M = 26 (2.04 GHz). (c) M = 52 (4,08 GHz). (d) M = 102 (8,16 GHz). д) 78, 14 MHz основен лазер. е) 72, 84 MHz подчинен лазер.

Изображение в пълен размер

Относителна интензивност на шума (RIN) на RMM изходния сигнал. (а) M = 13 (1,02 GHz). (b) M = 26 (2.04 GHz). (c) M = 52 (4,08 GHz). (d) M = 102 (8,16 GHz). д) 78, 14 MHz основен лазер. е) 72, 84 MHz подчинен лазер.

Изображение в пълен размер

дискусия

Изследвахме експлоатационните условия и постижимата производителност на високочестотна, силно регулируема импулсна RRM система, базирана на инжектиране на основата на инжектиране. Демонстриран е RRM фактор до 128 (> 10 GHz) от 78,43 MHz. Максималната стойност на SMSR е 41 dB за M = 2 и SMSR монотонно намалява до 12 dB за M = 128. В сравнение с други съществуващи RRM методи, като например интерферометър на Mach-Zehnder 30, 31, 32 и резонатори за всички проходи 33, 34, 35, има много по-голяма мултиплицируемост с подобни SMSR характеристики. В допълнение, демонстрираната стойност на SMSR е по-висока от методите за еднопроходно филтриране на кухини с FP кухина

300 27, 28, 29 за общия тестван обхват. Само методи за двупроходна филтрация на кухини 26, 28, 400 nm за калибриране на астрономически спектрографи в близката инфрачервена област. Sci. Инструментариум. 81, 063105 (2010). "Href ="/articles/s41598-018-31929-x # ref-CR49 "> 49, които изискват усъвършенствана заключваща електроника, може да имат много по-високи стойности на SMSR от демонстрираните резултати на RRM с блокирана инжекция. Лента и интензитет на шума, които показват подобни нива, независимо от коефициента на умножение, абсолютната честота на високочестотни (напр.> 10 kHz честота на Фурие) може да бъде толкова ниска, колкото

20 fs. Опростена и стабилна реализация на всички влакна и нисък прекомерен шум, демонстрираната RRM система може да намери различни приложения в микровълнова фотоника, оптична комуникация, оптично вземане на проби, фотонно аналогово-цифрово преобразуване и системи за разпределение на часовника.

методи

Заключени с влакна лазери за главни и подчинени осцилатори

За основния контролен лазер се използва нелинейно-поляризационен ротационен (NPR) режим, блокиран лазер от Erbium fiber с честота на повторение 78,43 MHz в сигма кухината. С почти нулева дисперсия на бистрата кухина (

0,002 ps2) за импулсен режим на заключване, оптичният спектър има повече от 50 nm широчина на честотната лента FWHM, центрирана при 1580 nm. Подчиненият лазер е полупроводников наситен огледален абсорбер (SESAM), базиран на солитонен режим в линейна кухина с отрицателна дисперсия на мрежестата кухина (

-0,017 ps 2). Този лазер съдържа кратко свободно пространство с крайно огледало, монтирано на 14 см дълъг транслационен етап за настройка на дължината на кухината.

Експериментални условия и резултати

Когато се използва съединител 90:10 за подчинения лазер, неговата изходна мощност преди инжектирането на инжектирането е деактивирана

1,1 mW. Инжектираната изходна мощност е в тесния диапазон от 1, 1 mW - 1, 24 mW, въпреки че входната мощност варира в широк диапазон от 8 mW - 24 mW. Освен това изходната мощност варира под 0,2 dB за всички условия на коефициент на умножение, когато се поддържа входната мощност. Широчината на изходния импулс е

1,5 ps, което е почти независимо от състоянието на входния импулс (напр. 100 fs или 1,7 ps инжектиране доведе до подобна широчина на изходния импулс). Трябва да се отбележи, че въпреки че основният импулс се поддържа, времевите позиции на малките пред- и след-импулси зависят от разстоянието между краищата и формата на изходния оптичен спектър (фиг. 2а). Като цяло, изходната оптична честотна лента и средната изходна мощност не се променят много или променящите се условия на умножение. Тъй като SMSR се променя за различни условия на умножение, дълбочината на амплитудната модулация на импулсния модул във времевата област се променя. Естествено, по-високите SMSRs водят до по-малка дълбочина на амплитудната модулация (напр. 40 dB и 20 dB SMSRs водят до

40% дълбочина на амплитудната модулация).

Намиране на оптимални условия за инжектиране

1,1 mW с мощност на впръскване при

8 mW. Както се вижда от ФИГ. 9, намаляването на входящата впръскваща мощност (съотношение на впръскване) води до по-висок SMSR: впръскването под 10 mW може да доведе до висока производителност на SMSR.

Ефективност на инжектиране спрямо SMSR за различни фактори на умножение. Всяко число показва измерения SMSR в dB единица. За експеримента се използват 250-MHz главен лазер и регулируем 73-78 MHz slave лазер.

Изображение в пълен размер

Благодаря

Това изследване беше подкрепено от Националната изследователска фондация на Корея (Grant 2018R1A2B3001793).

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.