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May 18, 2023May 18, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5762 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Loops de deslocamento de frequência, consistindo em uma cavidade de anel de fibra óptica, um modulador de frequência e um amplificador para compensar a perda, permitem a varredura de frequência de alta velocidade com passos de frequência precisos e facilmente controlados. Esta plataforma é particularmente atraente para aplicações em espectroscopia e alcance óptico. No entanto, o ruído de emissão espontânea amplificado se acumula devido à amplificação repetida da luz que circula na cavidade, limitando a faixa de varredura de frequência dos loops de deslocamento de frequência (FSLs) existentes. Aqui, apresentamos uma abordagem em cascata que aborda essa limitação básica. Ao colocar em cascata vários FSLs em série com diferentes mudanças de frequência, podemos aumentar drasticamente o alcance de varredura acessível. Apresentamos a modelagem que mostra o potencial dessa abordagem para permitir a varredura em faixas de até 1 THz - um aumento de dez vezes em comparação com o estado da arte. Experimentalmente, construímos um par de FSLs em cascata capazes de escanear uma faixa de 200 GHz com passos de 100 MHz em 10 ms e usamos essa plataforma para realizar medições de espectroscopia de absorção de uma célula H13C14N. Ao aumentar a largura de banda operacional dos FSLs, a abordagem em cascata introduzida neste trabalho pode permitir novas aplicações que requerem varredura de frequência precisa e de alta velocidade.

Os lasers de frequência ajustável são essenciais para uma variedade de aplicações, incluindo espectroscopia de absorção, variação, LIDAR e caracterização de dispositivos fotônicos. Embora os lasers sintonizáveis ​​tenham avançado consideravelmente nos últimos anos1, obter o ajuste de frequência de alta velocidade com tamanhos de passo consistentes continua sendo um desafio e muitos sistemas de escaneamento a laser dependem de calibração extensiva ou monitoramento in situ para compensar não linearidades na frequência do laser escaneado2,3. Uma abordagem alternativa é modular externamente um laser de frequência fixa e onda contínua (CW). No entanto, esta abordagem é tipicamente limitada ao ajuste em faixas de frequência modestas pela largura de banda finita de moduladores ópticos e a exigência de componentes eletrônicos de acionamento de alta velocidade. Loops de mudança de frequência (FSLs) fornecem uma alternativa atraente acumulando grandes mudanças de frequência recirculando a luz através de um único modulador 10s ou 100s de times4.

Loops de mudança de frequência são normalmente compostos por uma cavidade de anel de fibra ótica contendo um modulador de mudança de frequência, um amplificador que é usado para compensar a perda e um filtro passa-banda usado para suprimir a emissão espontânea amplificada (ASE). Após cada ida e volta no loop, a luz sofre uma mudança de frequência adicional. O FSL pode ser usado para gerar um pente de frequência óptica semeando-o com CW light5. Como alternativa, se a luz pulsada for acoplada ao FSL, ela pode ser usada para gerar um trem de pulsos igualmente espaçados no tempo e na frequência6. Isso permite a varredura de frequência precisa e de alta velocidade com um modulador de largura de banda relativamente baixa e eletrônica de acionamento. Esses recursos levaram ao uso de FSLs em uma ampla gama de aplicações, incluindo espectroscopia de absorção7,8,9, manipulação de pente de frequência óptica10, análise óptica de Fourier11, detecção de fibra distribuída12,13, geração de forma de onda arbitrária14 e análise de espectro de RF15. A principal desvantagem dos FSLs é que a largura de banda geral é limitada pelo acúmulo de ASE devido à amplificação contínua da luz no loop. Como resultado, os FSLs são normalmente limitados a uma largura de banda de alguns 10s de GHz (o FSL de banda mais ampla relatado ao nosso conhecimento abrange 100 GHz16) antes que o ASE comece a dominar.

Neste trabalho, introduzimos uma arquitetura FSL em cascata capaz de aumentar drasticamente a faixa de varredura de frequência e o número de passos de frequência gerados antes que o ASE comece a dominar. Mostramos que a combinação de um FSL inicial com passos de frequência menores, seguido por um segundo FSL com passos de frequência maiores nos permite aumentar significativamente o alcance da varredura, minimizando o acúmulo de ASE. Apresentamos simulações indicando que um FSL em cascata projetado adequadamente pode permitir a varredura acima de 1 THz antes que o ASE comece a dominar. Como demonstração inicial, construímos um FSL em cascata capaz de produzir 2.000 pulsos em passos de 100 MHz em uma faixa total de 200 GHz e usamos o sistema para realizar medições de espectroscopia de absorção de uma célula H13C14N. Ao fornecer um método para aumentar o alcance de varredura de FSLs, este trabalho aumentará as aplicações para essa poderosa abordagem de varredura de frequência de alta velocidade.

1 GHz). The round-trip time in the second loop is defined as \(\Delta {t}_{2}\) and should be slightly longer than the pulse duration \(\tau\). The number of pulses generated in the second loop, \({N}_{2}\), then sets a limit on the required delay in the first loop as \({\Delta t}_{1}\ge {N}_{2}{\Delta t}_{2}\). Similarly, the delay between the seed pulses and the length of the overall pulse train is \({t}_{train}\ge {N}_{1}{\Delta t}_{1}\ge {N}_{1}\left({N}_{2}{\Delta t}_{2}\right).\) Under these conditions, the output of the second FSL will be a train with \({N}_{1}\cdot {N}_{2}\) total pulses. The pulses do not increase monotonically in frequency, but rather increase in steps of \(\Delta {f}_{2}\) before resetting to the frequency of the next pulse out of FSL1, as shown in Fig. 1b and color-coded in the inset of Fig. 1a. In principle, it is possible to use smaller delays in the first FSL and longer delays in the second FSL to generate a pulse train that increases monotonically in frequency. However, this would result in uneven delays between pulses arriving at EDFA1 in the first FSL and increase the impact of EDFA saturation effects. In practice, we found that the approach shown in Fig. 1, where \({\Delta t}_{1}\gg {\Delta t}_{2}\), enables a stable pulse train with more uniform amplitude in each pulse./p> 7 dB across 10,000 pulses by using the first FSL to generate 200 pulses covering 20 GHz. This shows the potential for this approach to dramatically extend the operating range of FSLs. The number of pulses generated in each FSL should be optimized based on the overall bandwidth of the desired pulse train and the loss in each loop. In this case, the SNR is considerably lower if the first FSL was used to generate 100 pulses or 1000 pulses rather than the ideal 200 to 500 pulses. For comparison, we also modeled the SNR of a single FSL with the same loss (\(T=0.05\)) designed to produce pulse trains covering 50 to 200 GHz in steps of 100 MHz. In each case, the bandpass filter was set equal to the total bandwidth of the generated pulse train. As shown in Fig. 2b, the single FSL cannot provide frequency shifts exceeding ~ 100 GHz before the SNR drops below 0 dB. In general, the acceptable SNR will depend on the application and this type of model can be used to study the bandwidth which can be achieved using a cascaded FSL while maintaining a required SNR./p> 7 dB. (b) Simulated SNR for a single FSL designed to generate pulse trains with 100 MHz spacing across 50 to 200 GHz. The single FSL can only generate a pulse train covering ~ 100 GHz with SNR > 0 dB./p> 10 dB across the entire 200 GHz. Curiously, the SNR actually improves at the end of the pulse train using the 100 GHz filter. This was due to ASE generated in the first loop (covering a 100 GHz band) which was eventually shifted outside of the bandpass filter in the second FSL near the end of the pulse train. For comparison, we also modeled the SNR we could expect if we tried to use the first FSL to cover the entire 200 GHz range. In this case, we used the same loss of \({T}_{1}=0.005\) and the bandpass filter was set to \({\Delta F}_{1}=200\text{ GHz}.\) As shown in Fig. 3, the SNR drops below 0 dB after only ~ 60 GHz, clearly showing the advantage of the cascaded approach./p> 10 dB across the entire span. The SNR if a single FSL was used to generate a 200 GHz pulse train is also shown, indicating that the SNR drops below 0 dB after ~ 60 GHz./p> 0 dB up to a shift of ~ 60 GHz. Since the pulses that should have probed the second absorption line near 140 GHz were dominated by broadband ASE, no absorption was observed. This confirms that the cascaded FSL approach can enable spectroscopy measurements over a larger bandwidth than a single FSL./p>

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