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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.
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>