フルC | 河北レーザーマーキング株式会社

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3623 (2023) この記事を引用

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我々は、繰り返し率 250 MHz の完全な C バンド波長可変モードロックファイバーレーザーを実証しました。これは、当社の知る限り、これまでの C バンド可変モードロックレーザーの最高の繰り返し率を表します。偏波保持ファイバーベースのファブリーペロー共振器は、モードロッカーとしての半導体可飽和吸収ミラーを使用して、250 MHz の基本繰り返し速度を可能にします。共振器内のバンドパスフィルターの入射角を調整することにより、中心波長が1505～1561nmまで幅広く可変で、安定した単一ソリトンモード同期状態が観測されました。 Cバンド全体をカバーする波長調整可能な高繰り返し率モードロックレーザーは、高精度光学計測、広帯域吸収分光法、広帯域光周波数など、多くの周波数コムベースのアプリケーションにとって魅力的な光源となることが期待されています。シンセサイザー。

高繰り返しレートのモードロックレーザーは、超短パルス、高いピークパワー、広いスペクトルという独特の特性を備えており、周波数コム生成1、リモートタイミング転送と同期2、広帯域分光3など、数多くのアプリケーションで重要な役割を果たしてきました。、マイクロ波発生4、長さ計測5、6、7、8、表面計測9、超高速現象の観測10。特に、ファイバーベースのモードロックレーザーは、その信頼性、コンパクトさ、低コストを考慮して実用的なツールとして広く使用されています11。

高繰り返し率のモードロックレーザーを作成するには、高調波モードロックと共振器長の短縮が一般的な方法です。前者の方法では、高調波モード同期の安定した動作を確保するには、低い S/N 比やパルスタイミングジッターの劣化など、スーパーモードノイズに関連する多くの技術的課題が伴います12。高調波モード同期とは対照的に、共振器長を短縮しながら基本波繰り返しレートをスケールアップすると、より優れたスペクトル純度およびタイミングジッターを備えた超短パルスを安定して生成できます13。ファイバーレーザーに関しては、一部のコンポーネントをキャビティの外側に配置できるため、ファブリペローキャビティを使用して設計されるのが一般的です14。

モード同期は、一般に非線形偏光進化 (NPE)15 と実際の可飽和吸収体 (SA)16 によって実現されます。 NPE 技術には、超短パルスの生成や広いスペクトルなど、パルスの特性に関する利点があります。ただし、NPE ベースのモードロックレーザーでは、ターンキー操作はほとんど機能しません。 NPE 技術とは対照的に、SA は可飽和吸収材料に基づいており、半導体 17、カーボンナノチューブ 18、グラフェン 19、および 2D 材料 20 で実証されており、ターンキー動作と自己モードロックという利点を備えています。 SA は共振器内に必要な面積が小さいため、高繰り返しレートのモードロックレーザーに適しています。 SA ベースのモードロックレーザーは通常、キャビティの正味分散と自己位相変調のバランスがとれたソリトンパルス領域で動作します 21。ただし、NPE ベースのモードロックレーザーと比較して、SA ベースのモードロックレーザーはパルス幅が広く、スペクトル帯域幅が狭いです。通常、SA ベースのモードロックレーザーのパルス持続時間は数百フェムト秒、スペクトル帯域幅は C バンドで数ナノメートルです22。広帯域光スペクトルと超短パルスを生成するには、電力増幅を伴う非線形ファイバーベースのスペクトル拡大が一般的な方法として利用されます。非線形スペクトル拡大という複雑で面倒な方法の代わりに、モードロックレーザーの中心波長を調整することは、簡単なアプローチで広いスペクトル範囲をカバーする実現可能な代替手段の 1 つです。

図 1 は、中心波長の調整範囲と対数目盛でのパルス繰り返し率の観点から、C バンド調整可能モードロックファイバーレーザーの結果の概要を示しています18、23、24、25、26、27、28、29、30。、31、32、33、34、35。 C バンドで動作する波長可変モードロックファイバーレーザーは、可変バルクフィルター 18、23、26、35、固有キャビティ複屈折効果 24、29、33、34、拡張可能なグレーティング25、45°傾斜したファイバグレーティング27、31、スーパーモード干渉効果28、および調整アパーチャを備えたグレーティング30、32。これまでのところ、C バンドの調整可能なモードロックレーザーは、数十 MHz の範囲未満の繰り返しレートでのみ実証されていますが、中心波長の調整可能な範囲はすでに C バンド全体をカバーしています。繰り返し率が低いこれらのタイプのモードロックレーザーは、レーザー加工や高出力増幅に適していますが、周波数コムベースの光計測アプリケーションの大部分にとっては、その繰り返し率が依然として低すぎます 13,36。

C バンドの繰り返し率と同調範囲に関する、最先端の C バンド同調可能モードロックレーザーの概要。

私たちの以前の研究では、100 MHz を超える繰り返し率で動作する、広範囲に波長調整可能なモードロックファイバーレーザーを初めて実証しました 35。ファブリ・ペロー共振器ベースの光学設計により、完全な C バンド調整機能を備えた高繰り返しレートのモードロックファイバーレーザーが可能になりました。この研究では、C バンドの波長可変モードロック偏波保持ファイバーモードロックレーザーが、C バンドの波長可変モードロックファイバーレーザーとしては最高の繰り返し周波数 250 MHz で動作することを報告します。これまでのところ、私たちの知る限りでは。このような高い繰り返し率により、位相ロックや連続波レーザーの光周波数の監視が容易になります。偏波保持ファイバー構造により、キャビティ内偏波調整を必要とせずに堅牢なターンキー動作が可能になり、堅牢で安定したモードロック動作が実現します13、22、37。十分に検証され、信頼性が高く、安定したモードロッカーとして一般に採用されている半導体可飽和吸収ミラー（SESAM）は、ファブリ・ペローレーザー共振器のエンドミラーとして、また回転によるモードロックを実現するデバイスとして利用されました。 -キー操作。レーザーキャビティの長さを最小限に抑えるために、バルク光バンドパスフィルターが使用されました。透過帯域は、光学バンドパスフィルタ３８の入射角を変えることにより容易に調整することができる。中心波長1505～1561nmの安定したモード同期状態を観測した。パルス持続時間は通常 640 fs ～ 2.8 ps の範囲であり、スペクトル帯域幅 (3-dB) は通常 0.9 nm ～ 5.1 nm の範囲でした。測定された出力パワーレベルは、中心波長に関係なく 5 mW を超えており、高精度の寸法計測、広帯域吸収分光法、広帯域光周波数シンセサイザーなど、ほとんどの周波数コムアプリケーションでの使用に十分です。さらに重要なことは、提案されたモードロックレーザーの個々のコムモードは、以前の波長によって提供されるパワーレベルと比較して大幅に高い光パワーを有することができるため、光計測における信号対雑音比を改善できることが期待されることである。調整可能なモードロックレーザー。

図2aは、提案されているCバンド波長可変モードロック偏波保持エルビウムドープファイバーレーザーの光学レイアウトを示しています。レーザーキャビティの設計は、堅牢な動作のためにキャビティ内偏光を維持するための偏波保持 (PM) ファイバーを備えたファイバーファブリーペロータイプの線形キャビティに基づいています。レーザーキャビティは、利得媒体としての偏波保持エルビウムドープファイバー (PM EDF、PM-ESF-7/125、Nufern)、および 50 nm の 3-db 帯域幅を持つバルク光バンドパスフィルターを備えた自由空間部分で構成されます。 (7527: 1550–50 OD4、Alluxa)、シングルモード偏波保持ファイバー、および前述の SESAM (SAM-1550–23-2 ps、BATOP) は、自動起動モードロックおよびパルス特性の決定39。 430 mm のレーザーキャビティは、異常分散を備えた 300 mm の PM EDF、60 mm の標準 PM ファイバー、およびバルク光バンドパスフィルターを備えた 70 mm の自由空間で構成されています。往復共振器分散は -0.015 ps2 と推定され、レーザーがソリトンモード同期状態で動作できるようになります。自由空間部分は約 70 mm で、移動して繰り返し周波数を調整できます。ファイバと自由空間とファイバ間の結合損失は 1 dB (20%) 未満です。自由空間部に設置された光バンドパスフィルターは、入射角を調整することでモードロックレーザーの中心波長を調整するために使用されました。キャビティ内光の入射角が法線方向から傾いている場合（または入射角が 0°の場合）、光バンドパスフィルタの透過スペクトルは次のように短波長側にシフトします（ブルーシフト）。方程式、

ここで、λtilt は光バンドパスフィルタが入射角 θ で傾いたときの透過波長、λnormal は光バンドパスフィルタが入射光に対して垂直なときの透過波長、no は入射媒体の屈折率、neff は光学バンドパスフィルターの実効屈折率。図2bは、この研究で使用した光バンドパスフィルタの透過曲線と入射角の数値シミュレーション結果を示しています。また、モードロックレーザーの中心波長を、入射角に対する光バンドパスフィルターの透過曲線と比較しました。これらの結果については、次のセクションで詳しく説明します。

フル C バンド可変モードロック偏波保持ファイバーレーザーのレイアウト: (a) C バンド可変モードロックレーザーのレーザーキャビティの光学レイアウト。 C: ファイバーコリメータ。 BPF:バンドパスフィルター、WDM:波長マルチプレクサー、Pump LD:ポンプレーザーダイオード。 (b) 入射角に対するバンドパスフィルターの透過曲線。赤い点は、モードロックレーザーの測定された中心波長と入射角の関係を示します。

レーザーキャビティのエンドミラーは、FC/PC コネクタと SESAM のダイクロイックコーティングで構成されています。両端のミラーは多機能に機能し、レーザーキャビティ内の光学部品の数を減らし、レーザーキャビティの長さを最小限に抑えました。偏波保持エルビウムドープファイバーの端の二色性コーティングは、波長 1550 nm で反射率 90%、透過率 10%、波長 980 nm で透過率 100% になるように設計されました。ダイクロイックコーティングは、1550 nm の波長では出力カプラーとして機能しましたが、光ポンピングの場合は 980 nm の波長では透明でした。波長 980 nm のポンピングレーザーは、PM ファイバー波長マルチプレクサー (WDM) からレーザーキャビティの外側に入射し、モードロックレーザーの出力信号が出力カプラーとしてのダイクロイックコーティングから放射されました。 SESAM は、14% の変調深度、9% の非飽和損失、および 2 ps の緩和時定数を持ち、標準 PM ファイバの FC/PC コネクタにバット結合され、モードロッカーとモードロッカーの両方として機能しました。エンドミラー。この研究では、結合損失にもかかわらずファイバ融着接続を行わない光学レイアウトを提案し、この設計を組み立てとメンテナンスに有益にします。

より短い中心波長 (1505 ～ 1524 nm) では、モード同期は通常 600 mW の励起パワーで自己開始し、結果として出力パワーは約 10 mW になります。一方、より長い波長 (1530 ～ 1561 nm) では、わずか 400 mW の励起パワーで約 5 mW の出力パワーで自己起動する可能性があります。モードロックが開始されると、提案されたモードロックレーザーは、図3aおよびbに示すように、250MHzの繰り返し率に相当する4nsの時間間隔でフェムト秒パルスを放射します。図の拡大図に示すように、モードロックレーザーの安定したパルス列が 2000 ns 以上にわたって顕著な振幅変動なく測定され、単一パルスが明確に記録されました。図 3c は、解像度とビデオ帯域幅の両方を 3.3 Hz に設定し、基本繰り返しレート 250 MHz での RF スペクトルを示しています。 250 MHz の基本繰り返しレートで 70 dB の S/N 比を測定しました。また、図 3c の挿入図に示すように、249.8 MHz から 252.2 MHz までの繰り返しレート調整中の RF スペクトルも測定しました。

C バンド同調可能モードロックレーザーの RF ドメイン特性: (a) 2000 ns を超える出力パルス列。 (b) 図 2a の 20 ns の拡大図。 (c) 分解能帯域幅とビデオ帯域幅が 3.3 Hz の基本繰り返しレートでの RF スペクトル。挿入図は、15 kHz の分解能帯域幅とビデオ帯域幅で 249.8 から 252.2 MHz までの繰り返しレートの調整可能性を示しています。

モードロックレーザーの光学特性を図4に示します。図4aは、中心波長を1505〜1561 nmに調整したときの光スペクトルと出力パワーの測定結果を示しています。これはCバンド（ 1530–1565 nm）。これは、NH3、C2H2、CO2、HCN、CO などの多くの温室効果ガスの吸収線もカバーしていることに注意してください。さらに、第二高調波発生により、1542 nm 付近の 13C0H2 および 778 nm 付近の 85Rb の吸収線もカバーできます。は、BIPM（国際測定局）による長さ規格の推奨吸収線です40。重要なのは、提案されたモードロックレーザーの個々のコムモードは、高い繰り返し率により、以前の波長可変モードロックレーザーよりもはるかに多くの光パワーを持つことができ、より優れた信号対雑音比を実現できることです。入射角 0° で、モードロックレーザーは通常、中心波長 1561 nm、3 dB スペクトル帯域幅 5.1 nm、パルス幅 (Sech2 曲線に適合) 640 fs、出力 5.1 を示しました。図4aおよびbに示すように、mW。入射角の増加により光バンドパスフィルターの透過スペクトルが短波長側にシフトすると、図2および図3に示すように、モードロックレーザーの中心波長も短波長側にシフトします。 2bと4a。共振器内光の入射角を傾けるだけで、モードロックレーザーが決定論的に生成されることを観察しました。光バンドパスフィルターの帯域幅がモードロックレーザーのスペクトル帯域幅よりも著しく大きかったにもかかわらず、光バンドパスフィルターもケリー側波帯の抑制に影響を与えたことに注意してください41。安定したモード同期状態では、特定の領域 (この場合は 1516 nm ～ 1524 nm) を除いて、出力電力は通常 5 ～ 9 mW の範囲でした。 Er ドープファイバの利得は、1505 nm ～ 1524 nm の短波長では低かった42。波長を長くすると、利得が高くなるため、出力パワーは 6 mw から 15 mw まで徐々に増加しました。

Cバンド波長可変モードロックレーザーの光学特性: (a) 1500～1580 nmの範囲で光スペクトルアナライザにより測定されたスペクトル特性。上部は自己始動時の出力電力、または最小ポンプ電力での出力電力を示します。下の部分には、C バンド波長上のいくつかの重要な吸収線が示されています。 SHG: Second Harmonic Generation (b) パルス幅を評価するための光学的自己相関測定。

中心波長の全範囲の光スペクトルは、典型的なソリトンパルスを示す Sech2 曲線によく適合しました。図 5 は、比較のために Sech2 曲線フィッティング (赤色) とガウス曲線フィッティング (青色) を備えた光学スペクトル (灰色) の例を示しています。図5a〜cに示すように、モードロックレーザーの測定スペクトルは、中心波長付近でSech2曲線とガウス曲線の両方とよく一致しました。しかし、中心波長から遠く離れたところでは、測定されたスペクトルはガウス曲線によく一致せず、Sech2 曲線にのみよく一致しました。これは、提案されたレーザーがソリトンモード同期領域で動作することを明確に示しています。

| 光学スペクトルのいくつかの例のガウス曲線および Sech2 曲線へのカーブフィッティング: (a) 1505 nm、(b) 1527 nm、および (c) 1561 nm の中心波長に対するカーブフィッティングの結果。

図 6 は、各中心波長の光スペクトルの時間帯域幅積、パルス幅、および 3 dB スペクトル帯域幅をより詳細に定量的に示しています。 Sech2 パルス形状を仮定すると、パルス持続時間は通常 640 fs ～ 2.8 ps の範囲であり、3 dB スペクトル帯域幅は 0.9 ～ 5.1 nm の範囲でした。ただし、中心波長への依存性はないようです。時間帯域幅積は時間帯域幅積とスペクトル積として定義され、通常は 0.315 に近く、変換が制限された Sech2 パルスに対応します。以前の研究で報告されているように、一部の中心波長では 0.315 を超える時間帯域幅積が観察されました 18、23、30。これは、おそらく共振器損失、利得、分散、SESAM などの波長依存の共振器内条件によって引き起こされたと考えられます。

Cバンド波長可変モードロックレーザーの光学特性の概要。上のセクション、中央のセクション、下のセクションは、それぞれ時間帯域幅積、パルス持続時間、光 3 dB 帯域幅を示しています。

この記事では、ファブリーペロー線形共振器ベースの C バンド波長可変モードロック偏波保持ファイバーレーザーを提案し、実証しました。以前の研究でバルクバンドパスフィルターを使用してレーザーキャビティの設計を修正したことにより、繰り返し周波数を以前の研究の 125 MHz から 250 MHz に大幅にスケールアップしました。これは、C バンドの調整可能なモードロックレーザーの最高の繰り返し周波数です。これまでのところ、私たちの知る限りでは。共振器内への共振器内光の入射角を調整するだけで、ソリトンモード同期のターンキー動作により、1505nm～1561nmの広い波長可変範囲を実現することに成功した。このシンプルなレイアウトにより、提案されたレーザーは実際のケースで安定かつロバストに動作することができます。提案されたレーザーの繰り返し速度は 250 MHz であり、高精度の光学寸法計測、広帯域分光法、大容量光通信など、ほとんどの高精度周波数コムアプリケーションで活用するには十分です。さらに重要なことは、従来のコムとは異なり、個々のコムモードの光パワーが著しく高いため、信号対雑音比の向上が期待され、さまざまなアプリケーションで以前は実行が困難であったタスクが可能になります。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、韓国標準科学研究院 (23011041、22011230) からの支援を認めます。

長さグループ、韓国標準科学研究所、大田、34113、大韓民国

チャン・ユンス、パク・ジョンジェ、ジン・ジョンハン

精密測定専攻、科学技術大学、大田、34113、韓国

パク・ジョンジェ＆ジン・ジョンハン

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Y.-SJ がデザインし、作業を主導しました。 Y.-SJ は実験を行いました。 Y.-SJ、JP、JJ は測定データの分析を行いました。 Y.-SJ と JJ が原稿を準備しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ジン・ジョンハンさんへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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Jang, YS.、Park, J. & Jin, J. フル C バンド波長可変、繰り返し率 250 MHz モードロック偏波保持ファイバーレーザー。 Sci Rep 13、3623 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30532-z

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受信日: 2022 年 12 月 16 日

受理日: 2023 年 2 月 24 日

公開日: 2023 年 3 月 3 日

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

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