Аннотация:

Мы . Сообщить о первой демонстрации однонаправленного, без изолятора 2-мкм Тюлия-легированный волокна (TDF) Лазер, полагающийся на свойства тета-полости (кольцо резонатор с S-образной обработкой обратная связь). Основная накачанная полость тета TDF Лазер предоставляет Sub-Watt Выходная мощность с эффективностью наклона 25%, диапазон плоской настройки 2 дБ 1900-2050 нм, а a linewidth из 0,2 нм и достигает коэффициента вымирания 18-25 дБ (в зависимости от обратной связи значение) между любимым и подавленным лазон направления. Показано, что эти Характеристики конкурентоспособны, если не превосходят, Те, кто обычного кольца полости. Результаты симуляции линейного и kerr-nonlinear Тета также представлены полости, объясняющие определенные неожиданные особенности лазерного поведения и устанавливая важность легированного волокна нелинейность на спектральную форму излучаемого сигнал.

Введение:

Область длин волн около 2 мкм приобрел неуклонно растущий интерес в последние 19 лет. Разработка лазерных источников в этой спектральной полосе, основанная на радиационер Переходы в трехвалентных катионах Thulium и Holmium, TM3 + и Ho3 +, соответственно, мотивированы многочисленными потенциальными применениями в спектроскопии, дистанционному зондированию, медицине, телекоммуникациям и материалам обработку. Для . Пример, множественные линии поглощения атмосферных компонентов, таких как H2O, CO2 или NO2 эксплуатируются в дифференциальном поглощении лидара (набор) Системы1,2,3,4. Первый вибрационный переосначок O-H Облигация в воде имеет длину волны поглощения 1.92-1.94 мкм, который можно использовать для лазера хирургии5. Окно атмосферного трансмиссии также включает в себя 2-мкм регион, открывая путь к энергии Доставка6 или свободное пространство Связь7. Недавно потенциал пустостойкий Фотонные Bandgap . Fibers8 . в сочетании с Thulium - легированные волокна (TDF) Усилители9 . для оптоволоконного телекоммуникации в формате 1910-2020 NM Band был сообщает. Кроме того, 2-мкм Спектральный диапазон также широко используется для насоса Holmium - легированный Fibers10 . или водить нелинейные процессы в средние инфракрасные Регион11,12. Для . большую часть эти Приложения, широко настраиваемые узкий Linewidth Лазерный источник в 2 мкм это обязательно.

из-за их Многие преимущества, такие как компактный размер, надежность и высокая выходная мощность, волоконные лазеры были использованы в последних разработках. Всеволокно ядро ​​накачивается кольцевая полость TDF Лазеры (TDFL) эксплуатация волокно решетчатый Filter13,14 или Fabry-Pérot etalon15 . в качестве селективного элемента длины волны и высокой мощности накачиваются Holmium-легированный Волокно Лазеры10 были сообщили. Настраиваемый . Источники на основе параметрического преобразования и последующего усиления в TDFS доставляя больше чем 100 МВт непрерывной волны, в то время как способны модуляции, были также недавно продемонстрированы16.

Для . полость кольца волокон, оптический изолятор должен . быть введенным в полость, чтобы обеспечить однонаправленную лазон. Волокна Изолятор условно включает Фарадуй ротаторы и 45 ° кросс-поляризаторы С соседним свободное пространство OPTICS17, и, следовательно, подавляет обратный размноженный свет в данной полосе пропускания, как правило, не превышает несколько десятков нанометра. Поэтому, без изолятора, неизоленанациональный кольцевой волоконной полости (иногда упоминается «тета» 18 или «Инь-Ян» 19 резонаторы) представляет собой привлекательную и экономичную альтернативу решение. в полостях тета без взаимной цен Потери введены путем предоставления S-образной обратной связи в пределах основного кольцо. Ja . et . Al.19,20,21 использовал волокно Theta Resonator для реализации пассивных устройств, таких как BandPass / Bandstop Фильтры и раздел длин волн Мультиплексоры / демультиплексеры. a erbium-легированный волоконно-лазер с полостью тета, обеспечивающая около 20 дБ соотношение вымирания (ER) между выходными сигналами, распространяющимися в благоприятных и подавленных направлениях, было продемонстрировано22. Это . Тип полости был также использован для реализации высокоуправляющихся кольцовых полупроводниковых лазеров (er больше чем 20 дБ) 23, "квантовая точка-α-скважина" лазеры (er из 30 дБ) 24 и квантовые каскадные лазеры (er приблизительно 10 дБ) 25.

В этой статье мы отчитываем впервые однонаправленную 2 мкм TDF . Лазер, эксплуатация свойств тета полость. Мы . Также предоставьте первое сравнение между обычным дизайном кольцевой полости и полостями тета с различными обратной связью значения. Экспериментальные результаты подтверждают потенциал TDF Тета-полость Лазеры: они . Подтвердите, что бездельник, бездельник, бездельник TDF Лазеры обеспечивают узкополосный излучение, из которых характеристики (мощность, соотношение на проживание и оптическое отношение сигнал / шум (OSNR)) конкурентоспособны, если не превосходят, с те обычного кольца полости. Наконец, мы наблюдаем некоторое неожиданное поведение, указывающее на то, что нелинейность из TDF играет важную роль в формировании лазера полости тета Выход.

Материалы и Методы:

Фундаментальная идея резонаторы тета - Лазинг Ревоктификация направления путем внедрения неправочный полость убытки. Следующая модель описывает такое поведение. Рассмотрим кольцевой резонатор, который состоит из сосредоточенного усилительного устройства, обеспечивающего усиление энергии G (P), где p - мощность входного сигнала и две направленные силовые соединители, чей перекрестные выходы связаны вместе, чтобы обеспечить S-образную обратную связь (см. Рисунок 1). Кросс-муфта Соотношения муфтов DC1 и DC2 обозначены как β и α, соответственно. Потери в полости, исключая тех Индуцированные стяжками обратной связи, представлены сосредоточенным блоком потери L. Мы . Определите P1, N и P2, N против часовой стрелки (CCW) и по часовой стрелке (CW) Одинаковые сигналы длины волны, входящие в усиливающий агрегат в NTH TRONG TRILL, соответственно. Наконец мы считаем, что усиленная спонтанная эмиссия (ASE) незначительно по сравнению с сигналом когда система достигает устойчивого государства условие.

В отличие от CCW Распространение сигнала P1, N, который просто циркулирует в полости (рисунок 1a), A CW сигнал p2, n частично перенаправлен к CCW направление S-обратной связи, следуя двум возможным путям (рисунок 1B-1C). Используя известные значения двух соединительных связей обратной связи, мы можем выразить, на NTH + 1 круглая поездка, CCW сигнал p1, n + 1 и CW сигнал p2, n + 1, как указано уравнениями (1) и (2), соответственно:

в уравнениях (1) и (2), G1 и G2 Подставка для коэффициентов линейных усилий, предусмотренных CCW и CW сигналы, соответственно. CCW Сигнал имеет три вклада, представленные тремя терминами в уравнении (1). Первый термин - это основной путь вклад, включая усиление и потерю от полости и стяжные стяжки. Второе и третье условия являются вкладом от Re-Dreaked CW . свет через первую и вторую обратные пути обратной связи, соответственно. CW Сигнал имеет только один термин, который представляет вклад от основного путь. в устойчивое состояние Режим, мы можем написать, что P1, N = P1, N + 1 = P1 . и p2, n = P2, N + 1 = P2, ведущий к уравнению (3). Мы . также получить уравнение (4) Подставляя уравнение (3) в уравнение (1).

Усиливая среда на стационарное Лазинг . режим обычно насыщен, что подразумевает, что G1 = . G2, ведущий к P2 = . 0. . Другими словами, CW Компонент полностью подавлен для любых соотношений муфты α и β. Таким образом, мы можем переписать уравнение (3) Как уравнение (5):

где . представляет общие убытки в тетах полость. Условие, приведенное в уравнении (5) используется для определения устойчивого состояния получить и, следовательно, вход CCW Сигнал вводит среду усиления в этом режиме. Соотношение муфты α и β Определите количество перенаправленного сигнала на туда-поездка и, следовательно, влияет на переходное время полости перед достижением устойчивое состояние. Кроме того, как будет описано в следующем разделе, мы экспериментально наблюдали, что, вопреки прогнозированию этой простой теории, значение коэффициентов связи влияет на ER между благоприятным и подавленным направлением. Модель также исключает Керр нелинейность . и эффекты обратного рассеяния (Рэлея и Brillouin рассеяние), которые влияют на производительность настоящего лазера.

Экспериментально исследуемая полость клетчатки и обычная кольцевая волоконная полость на основе тех же элементов, была экспериментально исследована для получения первого прямого сравнения между обоими конфигурациями обоих Та же единица усиления (ГУ) использовался для всех дизайн. ГУ состоит из 11,5 м TDF (TMDF200, OFS Fitel Denmark APS, BRONDBY, Дания) двунаправляющиеся Ядро накачивается с 1600-нм Насос, полученный из усиленного настраиваемого Лазерный источник (TLS), как показано на рисунке 2A. Гу был охарактеризован однопроход Измерения усиления (G) Как функция мощности выходного сигнала (POUT) для 2000-нм Входной сигнал, полученный из настраиваемого TDFL. Данные были получены для пяти насосных мощностей, от 1 Вт до 3 Вт и нанесены на рисунке 2b. К . оценить внутриполости Сигнальная мощность, излучаемая ГУ в устойчивом состоянии, общие убытки в полости LTTAL оцениваются путем измерения потери различной полости компоненты. Рабочее место, учитывая G = LTTAL, идентифицируется на функции усиления G (pout), а мощность лазерной мощности рассчитывается как Plaser = . pout - Навязчивая, где Луковаться Out-муфта Потери (см. Рисунок 2b). Убытки для четырех рассмотренных полостей обобщены в таблице 1. Изучены стандартные кольцевые полости и полость тета с тремя различными значениями обратной связи (рисунок 3). В дополнение к гу, кольцевая полость включает в себя оптический изолятор (ISO), настраиваемый вручную, решетчатый Bandpass . фильтр (BPF; в полной ширине полумаксированный (fwhm) из 2 нм), а a 50% Выходная направленная муфта (DC). Расположение полости тета повторяет кольцо за исключением двух дополнительных соединений, используемых для замены изолятора представить не взаимные Свойства, как показано на рисунке 3B. Три конфигурации исследуются путем изменения соотношения муфты DC1: Кросс-муфта β = . 0,1 . Для конфигурации Theta1 (то есть, слабая обратная связь), β = . 0,5 . Для конфигурации Theta2 и β = . 0,9 . Для конфигурации Theta3 (то есть сильные обратная связь). Кросс-муфта Соотношение для DC2 проводится константы на α = . 0,1 . Для всех конфигурации. Кроме того, чтобы предотвратить любые возможные паразитарные отражения в полости, нескрытые порты DC1 и DC2 прекращены (оптические терминатор). Потому что . Там не было поляризаторы Вставленные в полости, лазерное излучение предполагалось деполяризованным, а контроллеры поляризации не были в комплекте.

Потери полости выше для полостей тета из-за включения двух дополнительных муфтов по сравнению с одним изолятор. Потери полости возрастают, когда обратная связь становится сильнее, такова, что Theta3 имеет 8.2 DB более высокая потеря полости по сравнению со стандартным кольцом полость. Такие более высокие потери влияют на переходное время полости перед достижением устойчивое состояние. Четыре лазеры были собраны и характеризованы с точки зрения выходной мощности OSNR и linewidth, как функция длины волны лазерной мощности и насоса мощность.

Результаты и Обсуждение:

Во-первых, выходная мощность измерялась как функция длины волны (рисунок 4A). Для . полости тета, результаты для любимого направления (CCW в нашем случае) и подавленное направление (CW) Представлены, и ER между двумя нанесена на рисунке 4C. Вопреки прогнозированию из простой теории, представляемой ранее, подавленное направление не устранено, а ER изменяется со связью обратной связи значение. Как обратная связь становится сильнее, CW направление более эффективно подавлено: Ер сверх 22 дБ измеряется для Theta3, тогда как Theta1 . имеет среднюю эруда 18 дБ. несмотря на эти Различия, Лазинг Ректификация направления по введению нерукальные Потери полости действительно достигаются для разных ценностей Обратная связь. Значения ER находятся в хорошем согласии с Те, кто сообщается на полость тета Эрбия допированная Волокно Laser22. Стабильный Лазинг в ассортименте 1900-2050 Нм получается с помощью без изолятора полости. Для . 2 Вт насос, выход Лазинг мощность сверх 440 МВт измеряется для всех конфигураций, с замечательными 2 дБ выходной плоскостностью, без изолятора Таким образом, архитектуры показывают одинаковую производительность к кольцевой полости в этом расценка.

OSNR для четырех лазеров, показанные на рисунке 4В, лучше чем 55 дБ NM-1 В течение всего 1900-2050 Нм Лазинг диапазон, подтверждающий незначительную ASE После того, как система достигнет устойчивое состояние. Максимальный OSNR Близко 62 БД / 63 БД между 1950 нм и 2020 Нм получается для Theta2 / theta1. Общий меньший OSNR из theta3 приписывается более высоким общим убыткам полости (см. таблицу 1) по сравнению с другими конфигурациями, для которых ГУ должен компенсировать.

Интересная мера - Voinwidth из лазон свет. Потому что . Форма лазерной линии не может быть правильно оснащенным либо гауссовым, либо лорензиан Функции fwhm определяется, где σλ . является стандартным отклонением профилей спектральных линий в области длин волн Λ. Спектральная линия формы четырех лазеров, экспериментально полученные для длины волны 2000 Нм, построены на рисунке 5а. Не только форма отличается, но значения значительно отличаются как хорошо. Стол на рисунке 5a суммирует наблюдаемые fwhm значения и указывают на измеренную длину волны джиттер. Процедура измерения джиттера длины волны изображена на рисунке 5b: двумерная гистограмма H (λ, p) приобретено для оценки Δσλ. Поперечное сечение на -3 DB Point, H (λ, -3 db) как правило, отображает два пика, для которых стандартные отклонения Δσl и Δσu являются рассчитаны. Общий джиттер затем определяется как . Мы . наблюдал, что джиттер лазерной линии полости тета на -3 Уровень БД выше (30-90 PM) чем со стандартным кольцевым резонатором (6 PM). Это . Может быть указывает на непрерывное изменение продольного режима в фильтре полоса пропускания. Это . эффект сильно выражена в случае theta2 Конфигурация. Усредненный след явно обладает двумя пиками и демонстрирует переключение между двумя наборами мод, закрепленных вокруг 2000 ± . 0,1 . нм. Динамика можно объяснить, используя следующие качественные Модель: потому что . перенаправление из CW распространяющиеся режимы в тета-полостях Via S-обратная связь требуется переходное время перед достижением устойчивого состояния, как описано в уравнении 3, может быть значительно дольше чем Для полости с изолятор. Если . Любые экологические колебания в течение этого времени изменяют условия соревнований в режиме, переходное состояние в полости с другим набором продольного режима может Еще раз вызвано, приводя к увеличению дрожания. Во время . Эксперименты, никаких положений не было принято для контроля условий эксплуатации лазера. Мы . Поэтому верьте, что в пределах более контролируемой среды (хранение поляризации волокна, стабилизация температуры), джиттер может быть значительно уменьшен.

Кроме того, несколько пиков в лазерной линии (аналогичный на Emota2-излучаемый Spectrum) может быть образован стимулированным Brillouin рассеяние (SBS), которое усиливается в легированном цвете. Эффект SBS в полости Theta уже наблюдался и эксплуатируется для создания нескольких длин волны EDFL26.

Более узкий Linewidth для всех полостей тета согласуются по всей длине волны Лазинг диапазон, как показано на рисунке 4D. Количественно, лазер LineWidth это 1.5 в 2 раза более узло для резонаторов тета со средним значением 0,2 нм. Мы . также наблюдайте, что Voinwidth остается постоянным по всему Лазинг длина волны, тогда как кольцевая полость демонстрирует более сильную зависимость длин волн со значениями между 0,2 нм и 0,45 нм.

Мощность излучаемых сигналов хранится практически закреплена в стабильности тесты. его стандартное отклонение, нормированное для среднего значения, не превышает 0,15% в течение 3 часов (рисунок 5с).

Наконец, как выходная мощность, так и Voinwidth из 2-мкм Измеряется сигнал как функция мощности накачки, и результаты показаны на рисунке 6A-6B и рисунок 6с, соответственно. Все четыре лазеры показывают почти идентичные результаты с порогом мощности насоса приблизительно 0,2 w (не показано в Рисунок) и эффективность наклона в окрестностях 25%. выходная мощность рядом с 700 МВт может быть получено когда прокачка с 3 W. Это . Эффективность наклона близко к 26% стоимость сообщено для обычного всеволокна кольцо TDFL27. Экспериментальные данные для выходной мощности сравниваются с оцененными значениями с использованием измерений GU (рисунок 2b) и убытки (таблица 1). Для . читабельность, только результат для theta2 показано на рисунке 6b потому что . Все лазеры показали аналогичную Trend. В целом, хорошее согласие достигнут. Измеренные державы падают на верхний предел рабочей зоны Потому что Настройка была полностью оптимизирована для достижения наивысшей выхода Powers. Наш взгляд, на наш взгляд, самая замечательная особенность полости тета может наблюдаться на рисунке 6C. Вопреки кольцевой полостью, которая демонстрирует увеличенный лазер LineWidth с насосной мощностью, Viewwidth тета полости ' Лазинг . длина волны остается в основном постоянная.

К . получить дальнейшее понимание Thulium - легированные Тета-лазерная полости, мы выполнили симуляцию с этим конфигурация. Платформа моделирования позволяет нам включать Kerr нелинейность . Из среды усиления важный параметр, который опущен в упрощенном аналитическом Описание. Мы . ранее наблюдали умеренные четырехволновые Смешивание (FWM) в 4-m-long TDF . как дополнительное явление во время A Мультиволновая волна Усиление сигнала в 2 мкМ Спектральный регион16. Учитывая относительно маленький TDF Размер ядра приблизительно 4 мкм в диаметре и высокой контрастности показателя преломления (числовые апертура Na = 0,26), наличие FWM подтверждает неличиямомую Нелинейный коэффициент γ Thulium волокна. Воздействие γ на производительности кольцо / тета Поэтому лазеры полости расследуются численно путем внедрения экспериментальных конфигураций, показанных на рисунке 3, используя vpitransmasemaker Программное обеспечение (VPI). TDF Модель, внедренная в VPI, основана на решении сопряженных уравнений скорости для населения инверсиями уровней энергии и уравнений распространения для сигналов и ASE Компоненты28,29,30,31. только эффект Самофазный Модуляция (SPM) включен в модель. полагаться на первоначальные оценки FWM, коэффициент γ = . 11.4 . W-1 км-1 назначается нелинейным TDF.

Краткое изложение результатов моделирования представлено на рисунке 7.

Сечения поглощения и эмиссии и радиационные Срок службы перехода взяты из ссылки (волокно TM1) 32. К . Выполните симуляцию в разумном вычислительном времени, концентрация допинга установлена ​​на 3 × 1025 . M-3 (по сравнению с 8.4 × 1025 M-3 сообщается) 32, что приводит к уменьшенному усилению в TDF и, следовательно, приводит к различию между экспериментально измеренными и смоделированными мощными мощными мощными мощями ( 26 DBM и 24 DBM AT 2000 NM для насоса 2 Вт, соответственно).

Первое значительное несоответствие между аналитическим описанием и экспериментами является конечная еда между благоприятными и подавленными направлениями на рисунке 7а, любимый (CCW) и подавлен (CW) Выходные мощности нанесены в зависимости от поездки полости окружающей среды для трех полостей TETA Конфигурации. Результаты для линейного TDF (твердое линия) и нелинейный TDF (пунктир линия) являются сравниваться Результаты моделирования в линейном случае находятся в хорошем согласии с аналитическим Описание: (I) Мощность CW сигнал уменьшится с каждым туристическим путешествием (обратите внимание на видимое насыщение -30 DBM вызвано числовыми ограничениями модель) и (ii) theta1 конфигурация занимает дольше, чтобы остановиться в устойчивое состояние Из-за низкого значения обратной связи. Когда . нелинейности учитываются, поведение, аналогичное экспериментально наблюдаемому поведению, является изображен: CW Мощность не исчезает в устойчивом состоянии. Некоторые колебания происходят до Конечное значение достигнуто. Моделирование прогнозирует ERS 16,9 дБ, 26.0 дБ, а 36,5 DB для Theta1, Theta2 и Theta3, соответственно. Качественно, они в хорошем согласии с эксперимент: Более высокая обратная связь обеспечивает лучше er. Количественная разница между симулированными и экспериментальными значениями может быть отнесена к расхождениям параметров между реальными и смоделированными TDF (в первую очередь, допинг концентрация).

Другая неожиданная тенденция - испускаемый свет LineWidth. Результаты моделирования для LineWidth Как функция мощности накачки показана на рисунке 7b. Когда . нелинейности . включены в модель Voinwidth из лазон Свет следует как экспериментально поведение: fwhm Остается практически постоянным или даже уменьшается с увеличением насоса мощность. Это . можно объяснить воздействию нелинейного усиления зеркала (налм) в полость33. A NALM включен в лазерную конфигурацию, начиная с муфты DC2 и в том числе TDF и dc1. Перенаправленные CW сигнал и CCW Свет в главном кольце приобретает различные нелинейные фазовые сдвиги при распространении в TDF и вмешиваться в DC2, что приводит к Linewidth Сужение. Обратная тенденция (то есть, увеличиваясь Voinwidth с насосом Power) когда . S-образная обратная связь сломана поддерживает это предположение. В последнем случае лазерная конфигурация просто представляет собой двунаправленную, нелинейную кольцевую полость, где Излучаемый сигнал приобретает дополнительные SPM, что приводит к спектральному уширению лазера Линия. Кроме того, подобное поведение было экспериментально наблюдалось в обычной однонаправленной кольцевой полости, где fwhm увеличивается с 0,2 нм на 0,6 W насос питания на 0,48 нм в 3 Вт (рисунок 6c).

Выводы:

Таким образом, мы экспериментально продемонстрировали первый однонаправленный, беззаконный, 2-мкм, 2 мкм, TDF Лазерное полагается на свойства тета-полости и предоставило первое сравнение между обычными кольцевыми конструкцией полости и полостями тета с различными значениями обратной связи (муфта DC1). Основная накачанная полость тета TDF Лазер предоставляет Sub-Watt Выходная мощность с эффективностью наклона 25%, A 2-дБ Плоский диапазон настройки 1900-2050 Нм, An OSNR больше чем 60 дБ, а a linewidth из 0,2 нм, и достигает эр 18-25 дБ (в зависимости от обратной связи значение) между любимым и подавленным лазон направления. Эти . Характеристики конкурентоспособны с Те, кто кольца полости. Единственным эталоном тета-полости, которая дает традиционную конфигурацию кольца, является временная стабильность центральной длины волны и FWHM, оцениваемая значением длины волны волн 2δσλ. Мы . считаю, что в пределах более контролируемой экспериментальной среды (поляризация, поддерживаемые волокна, стабилизация температуры), джиттер (30-60 PM) может . быть значительно уменьшен. Кроме того, уменьшение полосы пропускания полосу полосы Оптический фильтр Должен увеличить стабильность.

Кроме того, linewidth тета полости ' Лазинг . длина волны остается в основном постоянным с насосной мощностью (fwhm приблизительно 0,2 нм), тогда как Излучаемый спектр кольцевой полости испытывает значительное расширение (FWHM увеличивается с 0,2 нм на 0,6 W насосную мощность на 0,48 Nm в 3 W). Результаты моделирования показывают, что это поведение можно отнести к эффекту Nalm в полость. Помимо технического преимущества конфигурации тета, где такой относительно сложный и узкополосный оптические компоненты, такие как оптический изолятор, могут быть опущены, NALM Влияние на спектральную форму излучаемого света представляет собой, на наш взгляд, самая замечательная особенность исследуемого полость. Поэтому есть место для будущих расследований для оптимизации взаимодействия между NALM и основное кольцо волокна, улучшая устойчивость и нерегушевленность (ER) в полость. Более того, потому что налм может действовать как искусственный насыщенный Абсорбер, это Могли Будьте возможны изменить операционный режим лазера от непрерывной волны, чтобы импульсировать, усиливая нелинейные эффекты в полости со средами очень нелинейных волокон или дополнительных TDF кусочки.