предметів

реферат

З іншого боку, множення частоти позапорожнинної частоти (RRM) може бути ефективним рішенням для досягнення частоти, що повторюється, із більшою частотою ГГц від стандартної

100 МГц модульовані лазери. Для цієї мети було продемонстровано кілька різних методів, таких як стандарти Фабрі-Перо (FP) 26, 27, 28, 29, інтерферометри Маха-Зендера 30, 31, 32 та підсхеми резонаторів 33, 34, 35. Точно оброблені частотні режими фільтрів порожнини FP у спектральному діапазоні ГГц, і вибір цього режиму може бути стабілізований добре розробленими методами стабілізації 36, 37. Однак загалом він дорогий і чутливий до вирівнювання і має сильний взаємозв'язок між входом і виходом. Дволанцюговий інтерферометр Маха-Зендера може перекладати саму послідовність імпульсів із послідовним кроком дублювання 2 n. Тут кожен етап вимагає індивідуальної настройки затримки, і помилка довжини шляху може бути легко накопичена. Тому доступні лише кілька каскадних етапів. Волоконний підкільцевий резонатор є вигідним для підтримки імпульсної енергії, але може досягти коефіцієнта множення лише кілька разів. Зазвичай ці методи не можуть запобігти внутрішнім втратам потужності, пропорційним коефіцієнту множення.

Крім того, ін’єкція може бути застосована до системи RRM з додатковою порожниною. Лазерна інжекційна блокування в основному використовується для посилення 38 та дублювання 39, 40, 41, 42 лазерного генератора з низьким рівнем шуму. Ретельно розроблений підлеглий лазер може успадкувати характеристики основного лазерного сигналу з відносно низькою потужністю впорскування. Серед декількох методів RRM на основі ін'єкцій, які до цього були продемонстровані 43, 44, 45, 46, блокування гармонічного впорскування є ефективним способом збільшення коефіцієнта множення на ефект Верньє 44, 45, 46, що нещодавно призвело до максимальний коефіцієнт придушення 25 дБ. Бічний режим (SMSR) при множенні на коефіцієнт 25 (від 40 МГц до 1 ГГц) 46 .

результат

Гармонійний RRM на основі ін’єкцій

Блокування введення лазера можна розглядати як регенеративне посилення основного сигналу через підлеглий генератор. Зокрема, багатомодова взаємодія між оптичними частотними хребтами описується як група типових блокувальних інжекцій 47 і теоретично пояснюється за допомогою теорії перешкод 39, 40 щодо слабких імпульсів впорскування від основного лазера як перешкоди для вирішення блокування лазерного режиму. Коли відстань між режимами двох хребтів, тобто частотами частот повторення головного та веденого лазерів, встановлюється цілим співвідношенням з найменшим загальним кратним, досягається гармонійне впорскування (рис. 1а). Тут режими впорскування повинні бути заблоковані в достатній мірі, щоб придушити небажані коливання підлеглого лазера за належних умов роботи.

високо

Система множення гармоній, заснована на гармонії. a ) Концептуальний принцип гармонійної інжекції. f M, основна швидкість повторення лазера; f S, швидкість повторення підлеглого лазера; f вихід, помножений на частоту повторення кінцевого результату. ( b ) Загальна схема експериментальної установки. EDFA, підсилювач волокна, легований ербієм; VOA, змінний оптичний аттенюатор; SESAM, напівпровідникове насичене дзеркало-поглинач.

Повнорозмірне зображення

Тестова система, що тестується, показана на фіг. Основний лазер, нелінійний поляризуючий ербієвий лазер з обертовим режимом, має частоту повторення 78,43 МГц. Циркуляційний насос використовується як для направлення впорскування основного сигналу, так і для вихідного вихідного сигналу з частотою багаторазового повторення. Ведений лазер - це напівпровідниковий напівпровідниковий насичений поглинач (SESAM) із солітонним Er-волоконним лазером із регульованою довжиною 14 см, переміщуючи торцеве дзеркало, встановлене на фазі перекладу (для отримання додаткової інформації див. Методи).

Результати вимірювання RRM. a ) Оптичні спектри сигналів. Спектри 1 і 2 показують блоковані в режимі спектри веденого та головного лазерів для кожного (широкий діапазон на вставці), 3 - відфільтрований головний сигнал для впорскування, а 4 - остаточний множений вихід системи RRM. ( b ) РЧ-спектр вихідної частоти повторення. ( c ) Результат вимірювання часових областей фотовизначених вихідних сигналів. ( d ) Довгострокове вимірювання відносної різниці частот на кінцевій помноженій вихідній частоті між головним і веденим лазерами.

Повнорозмірне зображення

де λc - середня довжина хвилі, а c - швидкість світла, коли N = M + 1. Це добре узгоджується із виміряним оптичним спектром (крива 4 на рис. 2а; ε = 1,8 кГц призводить до розділення краю 1,9 нм). Тим не менше, досить мала похибка в швидкості повторення в діапазоні впорскування забезпечує достатні частотні режими для створення бажаного стану RRM. Зауважте, що навіть без будь-якого контролю між двома лазерами виявлений стан RRM зберігається більше 12 годин.

На малюнку 2b показано виміряний РЧ-спектр вихідного сигналу, що повторюється. Як і очікувалось, режим сильної частоти, заблокований впорскуванням, отримується на частоті 1,02 ГГц, при цьому існують набагато слабші режими. SMSR, відношення потужності ВЧ основного режиму до найбільш вираженого бічного режиму, є типовим показником для оцінки якості RRM. Правильна настройка коефіцієнта впорскування (тобто відношення основної потужності впорскування до потужності випромінювання підлеглого лазера) та оптична фільтрація необхідні для максимізації SMSR (див. Розділ Методи). Максимальне значення SMSR для коефіцієнта RRM 13 вимірюється при 32 дБ, що порівнянно з точністю передавальної функції однопрохідної порожнини FP

300 27, 28, 29. Фіг. Фіг.2c показує форму сигналу часової області множеного імпульсу, виміряного осцилографом реального часу 33 ГГц (Keysight, MSOV334A). Як і очікувалося з коефіцієнта RRM 13, форма сигналу імпульсу демонструє амплітудну модуляцію з періодом 13 імпульсів. Вимірена максимальна глибина амплітудної модуляції 5,6% добре узгоджується з розрахунковим результатом від виміряного SMSR 32 дБ.

Ми також оцінили тривалий дрейф частоти між масажистом і підлеглими генераторами при блокуванні ін'єкції. На рис. 2г показаний результат довгострокової відносної різниці частот на частоті 1 ГГц. Зверніть увагу, що для цього вимірювання використовуються головний лазер 250 МГц (M = 4) та підпорядкований лазер 76,99 МГц (N = 13), в результаті чого вихідний імпульс інжекції 1 ГГц блокується. Можна бачити, що інжекційний замок можна підтримувати протягом 12 годин, і коли ми навмисно перериваємо ін’єкцію, чітко видно вільну роботу між двома лазерами.

Налаштовуваність у коефіцієнті множення

Головною перевагою системи RRM з гармонійним впорскуванням є високонастроювана робота з ефектом Верньє. Зауважимо, що множення частоти повторення відбувається, коли пара спільних цілих чисел M і N задовольняє наступному співвідношенню, Mf M = f вихід ≈ Nf S, де f M і f S - частоти повторення головного і веденого генераторів і f вихід отримана помножена частота повторень. В результаті, шляхом налаштування f S для даного fM, існує безліч комбінацій цілочисельних пар (M, N), що забезпечує високу налаштованість основного коефіцієнта множення лазера M. На фіг. 3 показаний приклад доступних коефіцієнтів множення M проти частоти повторення веденого лазера (в діапазоні 51 МГц - 78 МГц), коли швидкість повторення основного лазерного сигналу fM встановлена ​​на рівні 78,43 МГц. Між різними комбінаціями M та N ми детальніше розглянемо три випадки.

Можливі умови гармонічного введення для RRM. ( a ) N = (M + 1) умови RRM. Виходи М = 13, 27, 51 та 102 (1 ГГц, 2 ГГц, 4 ГГц та 8 ГГц) характеризуються для репрезентативних випадків. ( b ) M = 51 RRM умови з різними умовами веденого генератора (N = 52, 53 і 55). ( c ) M = 2, 3, 5 та 7 умови RRM. Результати вимірювання радіочастотного спектру, показані на фіг. 4a, 4b і 4c відповідають областям ( a ), ( b ) a ( c ) на цьому малюнку.

Повнорозмірне зображення

По-перше, у випадку з a на фіг. 3, N встановлено на (M + 1), щоб усі фактори M могли плавно перемикатися з 13 (1,02 ГГц) на 128 (10,04 ГГц), налаштовуючи кінцеве дзеркало підлеглого генератора шляхом перекладу довжиною 14 см. З них виміряні РЧ-спектри для чотирьох репрезентативних випадків (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) та (102, 103) показані на фіг. 4а. Справа b на фіг. 3 показує, що різні значення N можуть досягти одного і того ж коефіцієнта множення М. На фіг. На фіг.4b показані три різні випадки підпорядкованих осциляторів (N = 52, 53 та 55) для множення M = 51 (4 ГГц). Цікавою знахідкою є те, що, хоча РЧ-спектри мають різну форму, всі вони мають однакові значення SMSR

20 дБ. У часовій області ці три випадки мають різний хід імпульсу до імпульсу, але подібну величину глибини модуляції. Нарешті, справа c на фіг. 3 вказує на низькі умови (наприклад, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 34, 35, 43, 46). Результати SMSR подібні або кращі, ніж попередні підходи до коефіцієнта RRM.

30 і далі показують вищу налаштованість до коефіцієнта RRM> 100. Зверніть увагу, що навіть якщо обидва лазери не заблоковані, SMSRs подібні до раніше повідомленого результату з блокуванням різниці 46. Для того, щоб перевірити ефект блокування f ceo, ми також впровадили та протестували механізм блокування різниці f ceo, показаний у посиланні. 46, але не зміг знайти чіткої різниці чи покращення в СМСР.

РЧ-спектри частот, що повторюються, множать сигнали в різних умовах множення. ( a ) (M, N) = (13, 14), (27, 28), (51, 52) та (102, 103). ( b ) (M, N) = (51, 52), (51, 53), (51, 55). ( c ) (M, N) = (2, 3), (3, 4), (5, 7), (7, 10).

Повнорозмірне зображення

Варіант SMSR проти коефіцієнта множення та порівняння з попередніми результатами. Продемонстрована система (чорний алмаз) та відповідні методи RRM з використанням блокування впорскуванням (помаранчевий трикутник), фільтрації наскрізних отворів (синій перевернутий трикутник), чергування MZI (зелений квадрат), порожнин FP 30 дБ SMSR, що підтримується з коефіцієнтом множення

20. Зауважимо, що фотодіод 10 ГГц використовується для вимірювання радіочастотного спектру, який обмежував вимірювані SMSR на фіг. 6 лише для коефіцієнта множення

40 для генераторів 250 МГц. Фактичні RRM можуть мати місце поза цим діапазоном RRM. Ці результати показують, що одинарна порожнина лазера (з механізмом настройки довжини, таким як торцеве дзеркало на фазі перекладу) може бути використана для різних основних лазерів зі значно різними частотами повторення.

Варіант SMSR проти коефіцієнта множення для різних основних лазерів. (a) Домашня нелінійна поляризаційна оптична модель 78, 43 МГц із заблокованою обертанням моделлю. (b) Внутрішні нелінійні модельні дзеркальні петлі підсилювача на базі моделю 35,7 МГц. (c) 250-МГц нелінійні волоконно-оптичні петлі посилення із системою дзеркального режиму (MenloSystem GmbH, FC1500-250-ULN).

Повнорозмірне зображення

Фазовий шум та інтенсивність шуму повторюваних частот

Характерні спектральні щільності фазового шуму та інтенсивності шуму (PSD) помножених імпульсів. Спочатку досліджуються чотири умови RRM (де SMSR максимізований для кожного випадку) при 1,02 ГГц, 2,04 ГГц, 4,08 ГГц і 8,16 ГГц (М = 13, 26, 52 і 104). PSD фазового шуму вимірюються за допомогою аналізатора джерела сигналу (Rohde & Schwarz, FSWP) на одній і тій же несучій частоті при 8,16 ГГц. Як показано на фіг. 7, форми та рівні фазового шуму однакові для всіх факторів RRM. Інтегровані абсолютні хвильові хвилювання становлять менше 379 фс (62 фс) з максимальним додатковим тремтінням 316 фс (62 фс) при інтеграції від 10 Гц (10 кГц) до частоти Фур'є 2 МГц. Цікавим висновком є ​​те, що зі збільшенням RRM пік зменшується при

240 кГц. Як результат, вищий коефіцієнт RRM призводить до нижчого інтегрованого джиттера синхронізації: коли M встановлено на 102 (8,16 ГГц), інтегрований середньоквадратичний джиттер синхронізації зменшується до 19,6 фс. Зауважте, що продемонстрований високочастотний синхронізація в діапазоні 20 - 60 фс є порівнянним або меншим за часову роздільну здатність високопродуктивних високошвидкісних осцилографів, які зараз доступні. Шум відносної інтенсивності (RIN) вимірюється за допомогою БПФ-аналізатора (Stanford Research Systems, SR770) та РЧ-аналізатора спектру (Agilent, E4411B) для частоти Фур'є 100 кГц. RIN PSD (рис. 8) подібні форми та рівні вимірювались як результати фазового шуму (рис. 7) незалежно від коефіцієнта RRM. Інтегрований RIN становить менше 0,2% при інтеграції з частотою Фур'є від 10 Гц до 2 МГц.

Повторюваний фазовий шум частоти та інтегрований синхронізація вихідного сигналу RMM. (а) М = 13 (1,02 ГГц). (b) M = 26 (2,04 ГГц). (c) M = 52 (4,08 ГГц). (d) M = 102 (8,16 ГГц). д) основний лазер 78, 14 МГц. f) підлеглий лазер 72, 84 МГц.

Повнорозмірне зображення

Відносна інтенсивність шуму (RIN) вихідного сигналу RMM. (а) М = 13 (1,02 ГГц). (b) M = 26 (2,04 ГГц). (c) M = 52 (4,08 ГГц). (d) M = 102 (8,16 ГГц). д) основний лазер 78, 14 МГц. f) підлеглий лазер 72, 84 МГц.

Повнорозмірне зображення

обговорення

Ми досліджували умови роботи та досяжну продуктивність високочастотної, високонастроюваної імпульсної системи RRM на основі ін'єкції на основі ін'єкції. Продемонстровано коефіцієнт RRM до 128 (> 10 ГГц) з 78,43 МГц. Максимальне значення SMSR становить 41 дБ для M = 2, а SMSR монотонно зменшується до 12 дБ для M = 128. Порівняно з іншими існуючими методами RRM, такими як інтерферометр Маха-Зендера 30, 31, 32 та всепрохідні резонатори 33, 34, 35 років, має набагато вищу множність із подібними показниками SMSR. Крім того, продемонстроване значення SMSR вище, ніж однопрохідні методи фільтрації порожнини з тонкістю порожнини FP

300 27, 28, 29 для всього випробуваного асортименту. Тільки методи подвійної прохідної фільтрації порожнин 26, 28, 400 нм для калібрування астрономічних спектрографів у ближній інфрачервоній області. Наук. Приладобудування. 81, 063105 (2010). "Href ="/articles/s41598-018-31929-x # ref-CR49 "> 49, які потребують вдосконаленої блокуючої електроніки, можуть мати набагато вищі значення SMSR, ніж продемонстровані результати RRM із заблокованою смугою впорскування та інтенсивністю шуму, які показують подібні рівні незалежно від коефіцієнта множення, абсолютна частота високочастотних (наприклад,> 10 кГц частота Фур'є) може бути настільки низькою, як

20 фс. Проста і надійна реалізація всіх волокон і низький рівень надмірного шуму, продемонстрована система RRM може знайти різні застосування в мікрохвильовій фотоніці, оптичному зв'язку, оптичній вибірці, фотонні аналого-цифрові перетворення та системах розподілу годинника.

методи

Волоконно-блоковані лазери для головних і ведених генераторів

Для основного керуючого лазера використовується поворотний режим нелінійної поляризації (NPR), заблокований ербієвим волоконним лазером з частотою повторення 78,43 МГц у порожнині сигми. При майже нульовій дисперсії прозорої порожнини (

0,002 ps2) для режиму блокування імпульсного режиму оптичний спектр має ширину смуги пропускання більше 50 нм ШВМ з центром в 1580 нм. Ведений лазер - це напівпровідникове насичене дзеркало-поглинач (SESAM), засноване на солітонному режимі в лінійній порожнині з негативною дисперсією сітчастої порожнини (

−0,017 пс 2). Цей лазер містить короткий вільний простір з торцевим дзеркалом, встановленим на 14 см довжиною трансляційної камери для налаштування довжини порожнини.

Експериментальні умови та результати

Коли для веденого лазера використовується зчеплення 90:10, його вихідна потужність перед інжекційним впорскуванням відключається

1,1 мВт. Інжектована вихідна потужність знаходиться у вузькому діапазоні 1,1 мВт - 1,24 мВт, хоча вхідна потужність коливається в широкому діапазоні 8 мВт - 24 мВт. Крім того, вихідна потужність варіювалась нижче 0,2 дБ для всіх умов коефіцієнта множення, коли вхідна потужність підтримується. Ширина вихідного імпульсу становить

1,5 пс, що майже не залежить від стану вхідного імпульсу (наприклад, введення 100 фс або 1,7 пс призвело до подібної ширини вихідного імпульсу). Слід зазначити, що, хоча основний імпульс підтримується, часові положення малих попередніх та наступних імпульсів залежать від інтервалу між краями та форми вихідного оптичного спектра (рис. 2а). Загалом, вихідна оптична спектральна смуга і середня вихідна потужність не сильно змінюються або змінюються умови множення. Коли SMSR змінюється для різних умов множення, змінюється глибина амплітудної модуляції послідовності імпульсів у часовій області. Природно, що вищі SMSR призводять до меншої глибини амплітудної модуляції (наприклад, 40 dB і 20 dB SMSRs призводять до

Глибина амплітудної модуляції 40%).

Пошук оптимальних умов введення

1,1 мВт з потужністю нагнітання при

8 мВт. Як видно з фіг. 9, зменшення вхідної потужності впорскування (коефіцієнт впорскування) призводить до вищого SMSR: впорскування менше 10 мВт може призвести до високих показників SMSR.

Ефективність впорскування проти SMSR для різних коефіцієнтів множення. Кожне число вказує на виміряний SMSR в дБ. Для експерименту використовуються головний лазер на 250 МГц та підлаштований підлеглий лазер на 73-78 МГц.

Повнорозмірне зображення

Дякую

Це дослідження було підтримане Національним науковим фондом Кореї (Грант 2018R1A2B3001793).

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.