elemeket

absztrakt

Másrészt az üregen kívüli frekvencia szorzás (RRM) hatékony megoldás lehet az ismétlődő frekvencia elérésére, több GHz-rel a normálistól

100 MHz-es modulált lézerek. Számos különböző módszert mutattak be erre a célra, mint például a Fabry-Perot (FP) 26., 27., 28., 29. szabvány, a Mach-Zehnder 30, 31, 32 interferométerek és a 33, 34, 35 aláramkörű rezonátorok. Az FP üregszűrők pontosan feldolgozott frekvenciamódjai a GHz-es spektrumtartományban, és ezt a módválasztást jól fejlett 36, 37 stabilizációs technikákkal lehet stabilizálni. Általában azonban drága és érzékeny az összehangolásra, és szoros kapcsolatban áll a bemenet és a kimenet között. A 2 szálas Mach-Zehnder interferométer maga az impulzus szekvenciát képes lefordítani 2 n duplikációjú soros lépésekkel. Itt minden szakasz egyedi késleltetési hangolást igényel, és az út hosszának hibája könnyen felhalmozható. Ezért csak néhány lépcsőzetes szakasz áll rendelkezésre. A szálas algyűrűs rezonátor előnyös az impulzusenergia fenntartása szempontjából, de csak néhányszor képes elérni a szorzótényezőt. Normális esetben ezek a technikák nem akadályozhatják meg a szorzási aránnyal arányos belső teljesítményvesztést.

Alternatív megoldásként injekciót lehet alkalmazni az RRM rendszerre extra üreggel. A lézeres befecskendezéses zárolást főleg 38 erősítésére és 39, 40, 41, 42 alacsony zajszintű lézeroszcillátor duplikálására használják. A gondosan megtervezett szolga lézer örökölheti a fő lézerjel jellemzőit, viszonylag alacsony injektálási teljesítmény mellett. A 43, 44., 45., 46., 46., 44., 45., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., 46., és 46., 46., 46., 45., 46., 46., 45. és 46. sz. maximális elnyomási arány 25 dB. Side Mode (SMSR), szorozva 25 (40 MHz - 1 GHz) tényezővel 46 .

az eredmény

Injekció alapú harmonikus RRM

A lézerinjekció lezárása a fő jel regeneratív erősítésének tekinthető a slave oszcillátoron keresztül. Különösen az optikai frekvenciagerincek közötti multimódusos interakciót tipikus 47 injektálási blokkolás csoportjaként írják le, és elméletileg a 39, 40 interferenciaelmélet segítségével magyarázzák a fő lézer gyenge injektálási impulzusainak vonatkozásában, mint interferenciát a lézeres mód blokkolásának megoldására. Amikor a két gerinc módjának, azaz a master és a slave lézer ismétlődési frekvenciájának frekvenciáját, a legkevésbé gyakori többszörös, harmonikus befecskendezéssel egész arányra állítjuk be (1a. Ábra). Itt az injektálási módokat kellően rögzíteni kell ahhoz, hogy megfelelő működési körülmények között elnyomja a slave lézer nem kívánt lengését.

lézerrel

Harmónián alapuló harmonikus szorzórendszer. a ) A harmonikus injekció fogalmi elve. f M, a fő lézeres ismétlési sebesség; f S, a szolga lézer ismétlési sebessége; f kimenet, megszorozva a végső kimenet ismétlődési gyakoriságával. ( b ) A kísérleti beállítás általános sémája. EDFA, Erbiummal adalékolt szálerősítő; VOA, változtatható optikai csillapító; SESAM, félvezető telíthető abszorber tükör.

Teljes méretű kép

A vizsgált tesztrendszert a 3. ábra mutatja. A fő lézer, egy nemlineárisan polarizáló, forgó üzemmódú Erbium lézer ismétlési sebessége 78,43 MHz. A cirkulációs szivattyút mind a főjel befecskendezésének irányítására, mind a kimeneti kimeneti jel ismételt ismétlődési frekvenciájával használják. A szolga lézer egy lineáris üregű, félvezető telíthető abszorber (SESAM) üzemmódban rögzített szoliton Er szálas lézer, amelynek hangolható hossza 14 cm, a fordítási fázisra szerelt végtükör mozgatásával (további információkért lásd: Módszerek).

Az RRM mérési eredményei. a ) A jelek optikai spektrumai. Az 1. és 2. spektrum a slave és a master lézerek üzemmódban rögzített spektrumait mutatja mindegyikhez (széles tartomány a betéten), a 3 az injekcióhoz szűrt master jel, a 4 pedig az RRM rendszer végső szorzata. ( b ) Az ismétlési frekvencia kimenetének RF spektruma. ( c ) A fotodetektált kimeneti jelek időtartományainak mérési eredménye. ( d ) A master és a slave lézerek közötti relatív frekvenciakülönbség hosszú távú mérése a végső szorzó kimeneti frekvencián.

Teljes méretű kép

ahol λc az átlagos hullámhossz, és c a fénysebesség, ha N = M + 1. Ez jól egyezik a mért optikai spektrummal (a 4 görbe a 2a. ábrán; ε = 1,8 kHz 1,9 nm élválasztást eredményez). Mindazonáltal az ismétlődési sebesség kellően kicsi hibája a befecskendezési tartományban elegendő frekvenciamódot biztosít a kívánt RRM állapot létrehozásához. Vegye figyelembe, hogy a két lézer közötti kontroll nélkül is az észlelt RRM állapot több mint 12 órán át fennmarad.

A 2b. Ábra mutatja az ismételt frekvenciájú kimeneti jel mért RF spektrumát. Ahogy az várható volt, az injekcióval lezárt erős frekvencia üzemmód 1,02 GHz-en érhető el, és sokkal gyengébb üzemmódok együtt léteznek. Az SMSR, a fő mód RF teljesítményének és a legkifejezettebb melléküzemmódnak az aránya, jellemző index az RRM minőségértékeléshez. Az SMSR maximalizálásához szükséges a befecskendezési arány (azaz a fő befecskendezési teljesítmény és a slave lézer emissziós teljesítményének aránya) és optikai szűrés megfelelő beállítása (lásd: Módszerek szakasz). Az RRM 13 tényező maximális SMSR-értékét 32 dB-nél mérik, ami összehasonlítható az egypasszusú FP finomságú átviteli funkciójával

300 27, 28, 29. ÁBRA. A 2c. Ábra egy megszorzott impulzus vonat időtartományának hullámformáját mutatja, 33 GHz-es valós idejű oszcilloszkóppal (Keysight, MSOV334A) mérve. Amint az az RRM 13-as tényezőtől elvárható, az impulzusvonat hullámformája 13 impulzus periódusú amplitúdó-modulációt mutat. Az amplitúdó moduláció mért maximális mélysége 5,6% jól egyezik a 32 dB-es SMSR által mért számított eredménnyel.

Kiértékeltük a masszőr és a szolga oszcillátorok közötti hosszú távú frekvenciasodródást is az injekció zárolásakor. A 2d. Ábra a hosszú távú relatív frekvenciakülönbség eredményét mutatja 1 GHz-en. Megjegyezzük, hogy ehhez a méréshez egy 250 MHz-es master lézert (M = 4) és egy 76,99 MHz-es slave lézert (N = 13) használnak, amelynek eredményeként az 1 GHz-es kimeneti impulzus zárva van. Látható, hogy az injekciós zár 12 órán keresztül fenntartható, és amikor szándékosan megszakítjuk az injekciót, a két lézer közötti szabad működés jól látható.

Hangolhatóság a szorzótényezőben

A harmonikus befecskendezéssel ellátott RRM rendszer legfőbb előnye a Vernier-effektusú, nagyon hangolható működés. Megjegyezzük, hogy az ismétlési frekvencia szorzása akkor következik be, amikor egy M és N ciprime egész szám pár kielégíti a következő összefüggést, Mf M = f kimenet ≈ Nf S, ahol f M és f S a master és a slave oszcillátor ismétlődési frekvenciája, és f kimenet az így kapott megsokszorozott ismétlési gyakoriság. Ennek eredményeként az fS adott fM-re történő hangolásával számos kombinált prím-egész pár (M, N) kombináció létezik, amely lehetővé teszi az M fő lézer-szorzótényező nagy hangolhatóságát. A 3. ábra a rendelkezésre álló M szorzótényezők példáját mutatja a szolga lézer ismétlődési frekvenciájához viszonyítva (az 51 MHz - 78 MHz tartományban), amikor az fM fő lézer ismétlődési sebessége 78,43 MHz-en van rögzítve. Az M és N különböző kombinációi között három esetet vizsgálunk részletesebben.

Az RRM lehetséges harmonikus befecskendezési körülményei. ( a ) N = (M + 1) RRM körülmények. Az M = 13, 27, 51 és 102 (1 GHz, 2 GHz, 4 GHz és 8 GHz) kimeneteket reprezentatív esetekre jellemezzük. ( b ) M = 51 RRM körülmények különböző szolga oszcillátor feltételekkel (N = 52, 53 és 55). ( c ) M = 2, 3, 5 és 7 RRM körülmények. Ábrán bemutatott RF spektrum mérési eredmények A 4a, 4b és 4c területek megfelelnek ( a ), b ) a ( c ) ezen az ábrán.

Teljes méretű kép

Először is a a ábrán. A 3, N értéke (M + 1), így az összes M tényezőt simán átválthatjuk 13-ról (1,02 GHz) 128-ra (10,04 GHz) azáltal, hogy a slave oszcillátor végtükörét 14 cm hosszú fordítással hangoljuk be. Ezek közül a négy reprezentatív eset mért RF spektrumát (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) és (102, 103) a 3. ábra mutatja. 4a. Az ügy b ábrán. A 3. ábra azt mutatja, hogy az N különböző értékei ugyanazt az M szorzótényezőt érhetik el. A 4b. Ábra a szolga oszcillátorok állapotának három különböző esetét mutatja (N = 52, 53 és 55) M = 51 szorzás (4 GHz) esetén. Érdekes megállapítás, hogy bár az RF spektrumok különböző alakúak, mindannyian hasonló SMSR értékekkel rendelkeznek

20 dB. Az időtartományban ennek a három esetnek eltérő az impulzus-impulzus lefutása, de hasonló mértékű modulációs mélység. Végül az eset c ábrán. A 3. ábra alacsony körülményeket jelez (például 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 43, 46). Az SMSR eredmények hasonlóak vagy jobbak, mint az előző megközelítések az RRM faktorig.

A 30. és a továbbiakban magasabb hangolhatóságot mutatnak,> RRM-tényezőig> 100. Vegye figyelembe, hogy még akkor is, ha mindkét lézer nincs lezárva, az SMSR-ek hasonlóak a korábban közölt eredményhez, 46-os különbség-zárral. A vezérlő zár hatásának ellenőrzése érdekében megvalósítottuk és teszteltük az új vezérlésben bemutatott vezérlő különbség reteszelő mechanizmust is. 46, de nem talált egyértelmű különbséget vagy javulást az SMSR-ben.

Az ismételt frekvenciák RF spektrumai szaporítják a jeleket különböző szorzási körülmények között. ( a ) (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) és (102, 103). ( b ) (M, N) = (51, 52), (51, 53), (51, 55). ( c ) (M, N) = (2, 3), (3, 4), (5, 7), (7, 10).

Teljes méretű kép

SMSR variáns szorzótényezővel és összehasonlítás a korábbi eredményekkel. Bemutatott rendszer (fekete gyémánt) és a kapcsolódó RRM módszerek injektálási blokkolással (narancssárga háromszög), átmenő furaton keresztüli szűréssel (kék fordított háromszög), MZI átlapolással (zöld négyzet), 30 dB SMSR FP üregekkel, szorzótényező mellett fenntartva

20. Megjegyezzük, hogy a 10 GHz-es fotodiódát használjuk az RF-spektrum mérésére, amely korlátozta a 2. ábrán mért SMSR-eket. 6 csak a szorzótényezőre vonatkozik

40 a 250 MHz-es fő oszcillátorokhoz. A tényleges RRM ezen a tartományon kívül is bekövetkezhet. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy egyetlen rabszolga lézerüreg (hosszúságú hangolási mechanizmussal, például a transzlációs fázis végén lévő tükörrel) használható a különböző fő lézerekhez, amelyek jelentősen eltérő ismétlődési frekvenciákkal rendelkeznek.

SMSR variáns és szorzótényező különböző főbb lézerekhez. a) 78, 43 MHz-es házi nemlineáris polarizációs optikai modell forgásbiztos modellel. b) 35,7 MHz-es hazai nemlineáris modemalapú tükörszálas erősítő hurkok. c) 250 MHz-es nemlineáris száloptikai erősítő hurkok tükör üzemmódú rendszerrel (MenloSystem GmbH, FC1500-250-ULN).

Teljes méretű kép

Fáziszaj és ismételt frekvenciák zajintenzitása

Jellemző a fáziszaj spektrális sűrűsége és a megszorzott impulzusok zajintenzitása (PSD). Először négy RRM feltételt vizsgálunk (ahol az SMSR minden esetben maximalizálódik) 1,02 GHz, 2,04 GHz, 4,08 GHz és 8,16 GHz frekvencián (M = 13, 26, 52 és 104). A fáziszaj PSD-ket egy jelforrás analizátorral (Rohde & Schwarz, FSWP) mértük ugyanazon vivőfrekvencián, 8,16 GHz-en. Amint az a 2. ábrán látható. A 7. ábra szerint a fáziszaj alakja és szintje minden RRM tényező esetében hasonló. Az integrált abszolút időzítő vibrációk kisebbek, mint 379 fs (62 fs), maximális additív jitterük pedig 316 fs (62 fs), ha 10 Hz-ről (10 kHz) 2 MHz-es Fourier frekvenciára vannak integrálva. Egy érdekes megállapítás az, hogy az RRM növekedésével a csúcs a

240 kHz. Ennek eredményeként a magasabb RRM tényező alacsonyabb integrált időzítési jitterhez vezet: amikor az M értéke 102 (8,16 GHz), az integrált effektív időzítési jitter 19,6 fs-ra csökken. Vegye figyelembe, hogy a bemutatott nagyfrekvenciás időzítő jitter a 20–60 fs tartományban összehasonlítható vagy alacsonyabb, mint a jelenleg rendelkezésre álló nagy teljesítményű nagysebességű oszcilloszkópok időfelbontása. A relatív intenzitás zaj (RIN) mérését FFT analizátorral (Stanford Research Systems, SR770) és RF spektrum analizátorral (Agilent, E4411B) végezzük, 100 kHz-es Fourier frekvencián. A RIN PSD (8. ábra) hasonló alakokat és szinteket mértünk fáziszaj eredményeként (7. ábra), függetlenül az RRM-tényezőtől. Az integrált RIN kevesebb, mint 0,2%, ha 10 Hz-től 2 MHz-ig terjedő Fourier frekvenciára integrálják.

Ismételt frekvenciájú fáziszaj és az RMM kimeneti jel integrált időzítő jitterje. 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) 78, 14 MHz-es fő lézer. f) 72, 84 MHz-es slave lézer.

Teljes méretű kép

Az RMM kimeneti jel relatív zajintenzitása (RIN). 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) 78, 14 MHz-es fő lézer. f) 72, 84 MHz-es slave lézer.

Teljes méretű kép

vita

Megvizsgáltuk az injektáláson alapuló nagyfrekvenciás, nagyon hangolható pulzusú RRM rendszer működési feltételeit és elérhető teljesítményét. Kimutatták, hogy a RRM tényező legfeljebb 128 (> 10 GHz) 78,43 MHz-től. Az SMSR maximális értéke 41 dB M = 2 esetén, és az SMSR monoton módon 12 dB-re csökken M = 128 esetén. Összehasonlítva más meglévő RRM módszerekkel, például a Mach-Zehnder 30, 31, 32 interferométerrel és a 33, 34 all-pass rezonátorokkal A 35 éves, sokkal magasabb szorzhatóság hasonló SMSR teljesítményekkel. Ezenkívül a bemutatott SMSR-érték magasabb, mint az egypályás üregszűrési módszerek finomságú FP üreggel

300 27, 28, 29 a teljes tesztelt tartományra. Csak a 26., 28., 400 nm üregek kettős áteresztéses szűrési módszerei a közeli infravörös régió csillagászati ​​spektrográfjainak kalibrálására. Sci. Hangszerelés. 81, 063105 (2010). A "kifinomult reteszelő elektronikát igénylő" "Href ="/articles/s41598-018-31929-x # ref-CR49 "> 49 sokkal magasabb SMSR-értékekkel rendelkezhet, mint a bizonyított RRM-eredmények lezárt befecskendezéssel. Sáv- és zajintenzitás hasonló a szorzótényezőtől függetlenül, az abszolút nagyfrekvenciás (pl.> 10 kHz Fourier frekvencia) időzítés olyan alacsony lehet,

20 fs. Az összes szál egyszerű és robusztus megvalósítása és alacsony a túlzott zajszint, a bemutatott RRM rendszer különféle alkalmazásokra találhat a mikrohullámú fotonikában, az optikai kommunikációban, az optikai mintavételben, a fotonikus analóg-digitális átalakításokban és az óraelosztó rendszerekben.

mód

Szálasan lezárt lézerek master és slave oszcillátorokhoz

A fő vezérlő lézerhez egy nemlineáris polarizációs rotációs (NPR) üzemmódban blokkolt Erbium szálas lézert használnak 78,43 MHz ismétlési frekvenciával a sigmaüregben. A tiszta üreg majdnem nulla diszperziójával (

Az impulzus módú zár módhoz az optikai spektrum több mint 50 nm FWHM sávszélességgel rendelkezik, középpontjában 1580 nm-nél. A szolga lézer egy félvezető telíthető tükör abszorber (SESAM), amely szoliton módra épül lineáris üregben, a háló üregének negatív diszperziójával (

−0.017 ps 2). Ez a lézer egy rövid szabad teret tartalmaz, egy 14 cm hosszú fordítási szakaszra szerelt végtükörrel az üreg hosszának beállításához.

Kísérleti feltételek és eredmények

Ha a slave lézerhez 90: 10-es tengelykapcsolót használnak, annak kimenő teljesítménye az injekció beadása előtt leáll

1, 1 mW. A befecskendezett kimenő teljesítmény az 1, 1 mW - 1, 24 mW szűk tartományban van, bár a bemeneti teljesítmény 8 mW - 24 mW széles tartományban változik. Ezenkívül a kimenő teljesítmény 0,2 dB alatt változott minden szorzótényező esetén, ha a bemeneti teljesítmény fennmaradt. A kimeneti impulzus szélessége

1,5 ps, ami szinte független a bemeneti impulzus állapotától (például 100 fs vagy 1,7 ps injektálás hasonló kimeneti impulzusszélességet eredményezett). Meg kell jegyezni, hogy bár a fő impulzus fenntartva van, a kis elő- és utóimpulzusok időbeli helyzete függ az élek távolságától és a kimeneti optikai spektrum alakjától (2a. Ábra). Általában a kimeneti optikai spektrális sávszélesség és az átlagos kimenő teljesítmény nem sokat változik, vagy a változó szorzási feltételek. Ahogy az SMSR változik a különböző szorzási feltételek mellett, az impulzus vonat amplitúdó modulációs mélysége változik az időtartományban. Természetesen a magasabb SMSR-k alacsonyabb amplitúdó-modulációhoz vezetnek (pl. 40 dB és 20 dB SMSR

Amplitúdó-moduláció 40% -os mélysége).

Az optimális injekciós körülmények megtalálása

1, 1 mW injektálási teljesítmény mellett

8 mW. Amint az a 2. ábrán látható. A 9. ábra szerint a bemeneti befecskendezési teljesítmény (injektálási arány) csökkentése magasabb SMSR-hez vezet: a 10 mW-nél kisebb befecskendezés magas SMSR-teljesítményhez vezethet.

Injekciós teljesítmény az SMSR-hez képest különféle szorzótényezők esetén. Minden szám a mért SMSR értéket jelzi dB egységben. A kísérlethez 250 MHz-es master lézert és hangolható 73-78 MHz-es slave lézert használnak.

Teljes méretű kép

köszönöm

Ezt a kutatást a Koreai Nemzeti Kutatási Alapítvány támogatta (Grant 2018R1A2B3001793).

Hozzászólások

Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.